Een nieuw ontdekte methode om tweedimensionale materialen te maken zou kunnen leiden tot nieuwe en buitengewone eigenschappen, vooral in een klasse van materialen die nitriden worden genoemd, zeggen de materiaalwetenschappers van Penn State die het proces hebben ontdekt. Deze allereerste groei van tweedimensionaal galliumnitride met behulp van grafeeninkapseling zou kunnen leiden tot toepassingen in diepe ultraviolette lasers, elektronica en sensoren van de volgende generatie.

"Deze experimentele resultaten openen nieuwe wegen voor onderzoek naar 2D-materialen, " zegt Joshua Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. "Dit werk richt zich op het maken van 2D galliumnitride, wat nog nooit eerder is gedaan."

Van galliumnitride in zijn driedimensionale vorm is bekend dat het een halfgeleider met een brede bandgap is. Halfgeleiders met een brede bandgap zijn belangrijk voor hoogfrequente, toepassingen met hoog vermogen. Wanneer gekweekt in zijn tweedimensionale vorm, galliumnitride transformeert van een materiaal met een brede bandgap naar een materiaal met een ultrabrede bandgap, het effectief verdrievoudigen van het energiespectrum waarin het kan opereren, inclusief het hele ultraviolet, zichtbaar en infrarood spectrum. Dit werk zal een bijzondere impact hebben op elektro-optische apparaten die licht manipuleren en uitzenden.

"Dit is een nieuwe manier van denken over het synthetiseren van 2D-materialen, " zei Zak Al Balushi, een doctoraat kandidaat onder begeleiding van Robinson en Joan Redwing, hoogleraar materiaalkunde en techniek en elektrotechniek. Al Balushi is hoofdauteur van een artikel dat vandaag (29 augustus) online verschijnt in het tijdschrift Natuurmaterialen getiteld "Tweedimensionale galliumnitride gerealiseerd via grafeeninkapseling."

"We hebben dit palet van natuurlijk voorkomende 2D-materialen, " vervolgde hij. "Maar om verder uit te breiden, we moeten materialen synthetiseren die niet in de natuur voorkomen. Typisch, nieuwe materiële systemen zijn zeer onstabiel. Maar onze groeimethode, genaamd Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), gebruikt een laag grafeen om de groei te ondersteunen en een robuuste structuur van 2D galliumnitride te stabiliseren."

Het grafeen wordt gekweekt op een substraat van siliciumcarbide, wat een technologisch belangrijk substraat is dat in de industrie veel wordt gebruikt voor LED's, radar en telecommunicatie. Bij verhitting, het silicium op het oppervlak ontleedt en laat een koolstofrijk oppervlak achter dat kan worden gereconstrueerd tot grafeen. Het voordeel van het op deze manier produceren van het grafeen is dat het grensvlak waar de twee materialen elkaar ontmoeten perfect glad is.

Robinson gelooft dat in het geval van tweedimensionaal galliumnitride, de toevoeging van een laag grafeen maakt het verschil. grafeen, een één atoom dikke laag koolstofatomen, staat bekend om zijn opmerkelijke elektronische eigenschappen en sterkte.

"Het is de sleutel, Robinson zegt. "Als je deze materialen op de traditionele manier probeert te kweken, op siliciumcarbide, je vormt normaal gesproken gewoon eilanden. Het groeit niet in mooie lagen op het siliciumcarbide."

Wanneer galliumatomen aan het mengsel worden toegevoegd, ze migreren door het grafeen en vormen de middelste laag van een sandwich, met grafeen dat er bovenop drijft. Wanneer stikstofatomen worden toegevoegd, er vindt een chemische reactie plaats die gallium en stikstof omzet in galliumnitride.

"Het MEEG-proces produceert niet alleen ultradunne vellen galliumnitride, maar verandert ook de kristalstructuur van het materiaal, die kunnen leiden tot geheel nieuwe toepassingen in de elektronica en opto-elektronica, ' zei Roodvleugel.