Onderzoekers van de TU Delft in Nederland, in samenwerking met een team van de University of Cambridge (V.K.), hebben een manier gevonden om kleine mechanische sensoren op een schaalbare manier te maken en schoon te maken. Ze creëerden deze sensoren door een tweedimensionaal vel hexagonaal boornitride (h-BN) op te hangen, of 'wit grafeen' over kleine gaatjes in een siliciumsubstraat. Deze innovatie kan leiden tot extreem kleine gas- en druksensoren voor toekomstige elektronica.

Zeshoekig boornitride (h-BN) is een interessant materiaal met een honingraatstructuur vergelijkbaar met die van grafiet. Maar terwijl grafiet elektriciteit geleidt, terwijl h-BN als een isolator fungeert. Deze eigenschap maakt h-BN populair als high-end smeermiddel, vooral in industriële toepassingen waar elektrische geleidbaarheid ongewenst is. Omdat h-BN het extra voordeel heeft dat het chemisch en thermisch stabieler is dan grafiet, het wordt ook gebruikt in ruwe omgevingen zoals ruimte, bijvoorbeeld, in diepe ultraviolette toepassingen.

Kleverige dingen

Terwijl lagen van het tweedimensionale materiaal grafeen met plakband van grafiet kunnen worden verwijderd, het maken van enkele lagen h-BN is veel moeilijker. De reden hiervoor is dat de lagen waaruit h-BN is opgebouwd 'kleven' aan elkaar - en aan andere materialen - veel sterker dan lagen grafeen. Dus, tot nu toe hebben niet veel onderzoekers de eigenschappen van h-BN als 2D-materiaal kunnen bestuderen. "Er zijn maar twee of drie instellingen in de wereld die enkelvoudige, tweedimensionale lagen wit grafiet, en de Universiteit van Cambridge is een van hen, "Zei hoofdauteur Santiago J. Cartamil-Bueno. "Dit project is een succes dankzij onze effectieve samenwerking met hen."

Met behulp van een techniek genaamd chemische dampafzetting, onderzoekers van de Universiteit van Cambridge kweekten een vel h-BN van één atoom dik, of 'wit grafeen, " op een stuk ijzerfolie. Ze stuurden het vervolgens naar de TU Delft in Nederland. Daar, via een reeks stappen, de Delftse onderzoekers brachten het vel transparant wit grafeen over op een siliciumsubstraat met kleine cirkelvormige holtes. Door het zo te doen, ze creëerden microscopisch kleine 'drums'. Deze drums functioneren als mechanische resonatoren en kunnen worden gebruikt als oneindig kleine gas- of druksensoren, bijvoorbeeld in mobiele telefoons.

De trommels schoonmaken

Hoewel het maken van de h-BN-drums een grote uitdaging op zich was, dit project stelde een andere, nog grotere uitdaging. Als gevolg van de stappen die nodig zijn om de monoatomaire plaat op het siliciumsubstraat over te brengen, de vaten waren verontreinigd met een aantal polymeren. Veel voorkomende verontreinigingen zoals deze zijn ongewenst omdat ze de eigenschappen van de sensoren veranderen. Het resultaat is dat alle sensoren zich iets anders kunnen gedragen. "Om beter te presteren dan de normale sensoren op de markt, echter, het is belangrijk dat alle 2D-sensoren zich op exact dezelfde manier gedragen, " legt Cartamil-Bueno uit.

De Delftse onderzoekers vonden een oplossing:met behulp van ozongas, ze slaagden erin om de drums schoon te maken. Het agressieve gas verwijderde alle organische polymeren. Echter, sporen van PMMA, een polymeer met anorganische componenten, bleven achter op de resonatoren. "Gelukkig, dit probleem kan worden opgelost door alleen organische substraten te gebruiken terwijl het vel wit grafiet op de holtes wordt overgebracht, " zegt Cartamil-Bueno. Dus, de Delftse onderzoekers hebben proof of principle geleverd voor de fabricage van ongelooflijk kleine sensoren voor toekomstige elektronica.