Sinds de ontdekking van grafeen ongeveer tien jaar geleden, wetenschappers hebben manieren bestudeerd om elektronische bandhiaten in het materiaal te manipuleren om halfgeleiders te produceren die nieuwe elektronische apparaten kunnen creëren. Een team van onderzoekers van het Yale-NUS College, het Center for Advanced 2D Materials en Department of Physics van de National University of Singapore (NUS) en de University of Texas in Austin (UT Austin) hebben een theoretisch kader opgesteld om de elastische en elektronische eigenschappen van grafeen te begrijpen. De bevindingen werden in februari 2015 gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

grafeen, een enkel atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een honingraatachtig rooster, is een van de eenvoudigste materialen met ongeëvenaarde mechanische en elektronische eigenschappen. Het materiaal is door wetenschappers geprezen als een extreem goede geleider van elektronen vanwege zijn sterkte en zijn lichte gewicht. In 2013, onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontdekten dat het plaatsen van grafeen bovenop hexagonaal boornitride, een ander materiaal van één atoom dik met vergelijkbare eigenschappen zal een hybride materiaal creëren dat het verbazingwekkende vermogen van grafeen om elektronen te geleiden deelt, terwijl de bandafstand wordt toegevoegd die nodig is om transistors en andere halfgeleiderapparaten te vormen. Halfgeleiders, die kan schakelen tussen geleidende en isolerende toestanden, vormen de basis voor moderne elektronica. De redenen waarom het hybride materiaal als zodanig presteerde, waren onverklaard totdat dit nieuwe theoretische raamwerk werd gecreëerd door onderzoekers van Yale-NUS, NUS en UT Austin.

Om de eigenschappen van het hybride materiaal volledig te benutten voor de creatie van levensvatbare halfgeleiders, een robuuste band gap zonder enige verslechtering van de elektronische eigenschappen is een noodzakelijke vereiste. De onderzoekers concludeerden dat het noodzakelijk is om een ​​theoretisch raamwerk te gebruiken dat elektronische en mechanische eigenschappen gelijk behandelt om betrouwbare voorspellingen te doen voor deze nieuwe hybride materialen.

Shaffique Adam, Universitair docent aan Yale-NUS College en NUS Department of Physics, zei, " Dit theoretisch raamwerk is het eerste in zijn soort en kan algemeen worden toegepast op verschillende tweedimensionale materialen. Voorafgaand aan ons werk, algemeen werd aangenomen dat wanneer het ene 2D-materiaal op het andere wordt geplaatst, ze blijven elk vlak en stijf. Ons werk toonde aan dat hun elektronische koppeling aanzienlijke mechanische belasting veroorzaakt, rekken en krimpen bindingen in drie dimensies, en dat deze vervormingen de elektronische eigenschappen veranderen. We vinden dat de bandafstand afhangt van verschillende factoren, waaronder de hoek tussen de twee platen en hun mechanische stijfheid. Vooruit gaan, we zullen theoretisch doorgaan met het verkennen van de optimale parameters om grotere bandgaps te creëren die voor een breed scala aan technologieën kunnen worden gebruikt. "

Pablo Jarillo-Herrero, de Mitsui Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT, wiens onderzoeksteam voor het eerst bandhiaten in dit nieuwe grafeenhybride materiaal rapporteerde, zei:"Dit theoriewerk heeft de nauwkeurigheid en voorspelbaarheid vergroot van het berekenen van de geïnduceerde bandgap in grafeen, die toepassingen van grafeen in digitale elektronica en opto-elektronica mogelijk kunnen maken. Als we de omvang van de band gap kunnen vergroten door nieuw onderzoek, dit zou de weg kunnen effenen voor nieuwe flexibele en draagbare nano-elektronische en opto-elektronische apparaten."