Een fysicus aan de Universiteit van Kentucky heeft in samenwerking met wetenschappers van Daimler in Duitsland en het Institute for Electronic Structure and Laser (IESL) een nieuw, atoomdik, plat materiaal ontdekt dat het wondermateriaal grafeen zou kunnen overtreffen en digitale technologie vooruit zou kunnen helpen. in Griekenland.

Gemeld in Fysieke beoordeling B, het nieuwe materiaal is gemaakt van silicium, boor en stikstof - allemaal licht, goedkope en aarde-rijke elementen - en is uiterst stabiel, een eigenschap die veel andere grafeenalternatieven missen.

"We gebruikten simulaties om te zien of de bindingen zouden breken of uiteenvallen - het gebeurde niet, " zei Madhu Menon, een natuurkundige in het UK Centre for Computational Sciences. "We hebben het materiaal opgewarmd tot 1, 000 graden Celsius en het brak nog steeds niet."

Met behulp van state-of-the-art theoretische berekeningen, Menon en zijn medewerkers Ernst Richter van Daimler en een voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker van het Britse Department of Physics and Astronomy, en Antonis Andriotis van IESL, hebben aangetoond dat door de drie elementen te combineren, het is mogelijk om een ​​één atoom dik, echt 2D-materiaal met eigenschappen die kunnen worden aangepast aan verschillende toepassingen die verder gaan dan wat mogelijk is met grafeen.

Terwijl grafeen wordt aangeprezen als 's werelds sterkste materiaal met veel unieke eigenschappen, het heeft één nadeel:het is geen halfgeleider en stelt daarom teleur in de digitale technologie-industrie. Daaropvolgende zoektocht naar nieuwe 2D-halfgeleidende materialen leidde onderzoekers naar een nieuwe klasse van drielaagse materialen, transitie-metaal dichalcogenides (TMDC's) genaamd. TMDC's zijn meestal halfgeleiders en kunnen worden omgezet in digitale processors met een grotere efficiëntie dan alles wat mogelijk is met silicium. Echter, deze zijn veel omvangrijker dan grafeen en gemaakt van materialen die niet noodzakelijk aards overvloedig en goedkoop zijn.

Op zoek naar een betere optie die licht is, aarde overvloedig, goedkoop en een halfgeleider, het team onder leiding van Menon bestudeerde verschillende combinaties van elementen uit de eerste en tweede rij van het periodiek systeem.

Hoewel er veel manieren zijn om silicium te combineren, boor en stikstof om vlakke structuren te vormen, slechts één specifieke opstelling van deze elementen resulteerde in een stabiele structuur. De atomen in de nieuwe structuur zijn gerangschikt in een hexagonaal patroon zoals in grafeen, maar daar houdt de gelijkenis op.

De drie elementen die het nieuwe materiaal vormen, hebben allemaal verschillende afmetingen; de bindingen die de atomen verbinden zijn ook verschillend. Als resultaat, de zijden van de zeshoeken gevormd door deze atomen zijn ongelijk, in tegenstelling tot grafeen. Het nieuwe materiaal is metallic, maar kan gemakkelijk halfgeleidend worden gemaakt door andere elementen bovenop de siliciumatomen te bevestigen.

De aanwezigheid van silicium biedt ook de opwindende mogelijkheid van naadloze integratie met de huidige op silicium gebaseerde technologie, waardoor de industrie langzaam van silicium kan afstappen in plaats van het volledig te elimineren, alles in een keer.

"We weten dat de op silicium gebaseerde technologie zijn limiet bereikt, omdat we steeds meer componenten samenvoegen en elektronische processors steeds compacter maken. ' zei Menon. 'Maar we weten dat dit niet oneindig kan doorgaan; we hebben slimmere materialen nodig."

Verder, naast het creëren van een elektronische bandkloof, bevestiging van andere elementen kan ook worden gebruikt om de band gap-waarden selectief te wijzigen - een belangrijk voordeel ten opzichte van grafeen voor conversie van zonne-energie en elektronica.

Andere grafeenachtige materialen zijn voorgesteld, maar missen de sterke punten van het materiaal dat door Menon en zijn team is ontdekt. Siliceen, bijvoorbeeld, heeft geen plat oppervlak en vormt uiteindelijk een 3D-oppervlak. Andere materialen zijn zeer onstabiel, sommige slechts voor een paar uur.

Het grootste deel van de vereiste theoretische berekeningen werd uitgevoerd op de computers van het UK Centre for Computational Sciences, waarbij medewerkers Richter en Andriotis er rechtstreeks toegang toe hadden via snelle netwerken. Nu werkt het team nauw samen met een team onder leiding van Mahendra Sunkara van het Conn Center for Renewable Energy Research aan de Universiteit van Louisville om het materiaal in het laboratorium te maken. Het Conn Center-team heeft nauw samengewerkt met Menon aan een aantal nieuwe materiaalsystemen waar ze zijn theorie konden testen met experimenten voor een aantal nieuwe zonnematerialen.

"We willen heel graag dat dit in het laboratorium wordt gemaakt, "Zei Menon. "De ultieme test van elke theorie is experimentele verificatie, dus hoe eerder hoe beter!"

Sommige van de eigenschappen, zoals het vermogen om verschillende soorten nanobuisjes te vormen, worden besproken in de paper, maar Menon verwacht dat er meer naar voren zullen komen met verdere studie.

"Deze ontdekking opent een nieuw hoofdstuk in de materiaalwetenschap door onderzoekers nieuwe mogelijkheden te bieden om functionele flexibiliteit en nieuwe eigenschappen voor nieuwe toepassingen te onderzoeken, "zei hij. "We kunnen enkele verrassingen verwachten."