Momenteel, de meeste onderdelen van een smartphone zijn gemaakt van silicium en andere verbindingen, die duur zijn en gemakkelijk breken, maar met bijna 1,5 miljard smartphones die vorig jaar wereldwijd werden gekocht, fabrikanten zijn op zoek naar iets dat duurzamer en goedkoper is.

Dr. Elton Santos van de Queen's University's School of Mathematics and Physics, heeft gewerkt met een team van topwetenschappers van de Stanford University, Universiteit van Californië, California State University en het National Institute for Materials Science in Japan, om nieuwe dynamische hybride apparaten te creëren die elektriciteit met ongekende snelheden kunnen geleiden en licht zijn, duurzaam en gemakkelijk te vervaardigen in grootschalige halfgeleiderfabrieken.

Het team ontdekte dat door het combineren van halfgeleidende moleculen C ₆₀ met gelaagde materialen, zoals grafeen en hBN, ze zouden een unieke materiaaltechnologie kunnen produceren, die een revolutie teweeg kunnen brengen in het concept van slimme apparaten.

De winnende combinatie werkt omdat hBN zorgt voor stabiliteit, elektronische compatibiliteit en isolatielading voor grafeen terwijl C ₆₀ zonlicht kan omzetten in elektriciteit. Elk slim apparaat dat uit deze combinatie wordt gemaakt, zou profiteren van de mix van unieke functies, die van nature niet in materialen voorkomen. Dit proces, die van der Waals vaste stoffen wordt genoemd, maakt het mogelijk om verbindingen op een vooraf gedefinieerde manier samen te brengen en te assembleren.

Dr. Elton Santos legt uit:"Onze bevindingen tonen aan dat dit nieuwe 'wondermateriaal' vergelijkbare fysieke eigenschappen heeft als silicium, maar de chemische stabiliteit heeft verbeterd, lichtheid en flexibiliteit, die mogelijk in slimme apparaten kan worden gebruikt en veel minder snel kapot gaat.

"Het materiaal zou ook kunnen betekenen dat apparaten minder energie verbruiken dan voorheen vanwege de architectuur van het apparaat, dus de levensduur van de batterij en minder elektrische schokken."

Hij voegde eraan toe:"Door wetenschappers van over de hele wereld samen te brengen met expertise in chemie, natuurkunde en materiaalkunde waren we in staat om samen te werken en simulaties te gebruiken om te voorspellen hoe alle materialen zouden kunnen functioneren wanneer ze gecombineerd zouden worden - en uiteindelijk hoe deze zouden kunnen werken om alledaagse problemen op te lossen.

"Dit baanbrekende onderzoek komt op het juiste moment en is een hot topic waarbij belangrijke spelers in het veld betrokken zijn, die een duidelijk internationaal pad opent om Queen's op de routekaart van verdere lopende onderzoeken te zetten."

Het project begon in eerste instantie aan de simulatiekant, waar Dr. Santos voorspelde dat een dergelijke assemblage van hBN, grafeen en C60 kunnen resulteren in een vaste stof met opmerkelijke nieuwe fysische en chemische eigenschappen. Vervolgens, hij sprak met zijn medewerkers Professor Alex Zettl en Dr. Claudia Ojeda-Aristizabal aan de Universiteit van Californië, en California St University in Long Beach (CA) over de bevindingen. Gedurende het project was er een sterke synergie tussen theorie en experimenten.

Dr. Santos zei:"Het is een soort 'droomproject' voor een theoreticus, aangezien de nauwkeurigheid die in de experimenten werd bereikt opmerkelijk overeenkwam met wat ik had voorspeld en dit is normaal gesproken niet gemakkelijk te vinden. Het model maakte verschillende aannames die volledig zijn gebleken Rechtsaf."

De bevindingen, die zijn gepubliceerd in een van de meest prestigieuze tijdschriften ter wereld ACS Nano , deuren openen voor verdere verkenning van nieuwe materialen. Een probleem dat nog moet worden opgelost met het huidige onderzoek van het team, is dat grafeen en de nieuwe materiaalarchitectuur geen 'band gap' hebben, dat is de sleutel tot de aan-uit-schakelbewerkingen die worden uitgevoerd door elektronische apparaten.

Echter, Het team van Dr. Santos is al aan het kijken naar een mogelijke oplossing:overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's). Deze zijn momenteel een hot topic omdat ze zeer chemisch stabiel zijn, hebben grote bronnen voor productie en bandhiaten die wedijveren met Silicon.

Hij legt uit:"Door deze bevindingen te gebruiken, we hebben nu een sjabloon gemaakt, maar in de toekomst hopen we een extra functie toe te voegen met TMD's. Dit zijn halfgeleiders, die het probleem van de band gap omzeilen, dus we hebben nu een echte transistor aan de horizon."