Een beetje fluor verandert een isolerend keramiek, bekend als wit grafeen, in een halfgeleider met een brede bandgap met magnetische eigenschappen. Wetenschappers van Rice University zeiden dat dit het unieke materiaal geschikt zou kunnen maken voor elektronica in extreme omgevingen.

Een proof-of-concept paper van Rice-onderzoekers demonstreert een manier om tweedimensionaal hexagonaal boornitride (h-BN) - ook wel wit grafeen genoemd - van een isolator in een halfgeleider te veranderen. Het magnetisme, ze zeiden, is een onverwachte bonus.

Omdat het atomair dunne materiaal een uitzonderlijke warmtegeleider is, de onderzoekers suggereerden dat het nuttig kan zijn voor elektronica in toepassingen bij hoge temperaturen, misschien zelfs als magnetische geheugenapparaten.

De ontdekking verschijnt deze week in wetenschappelijke vooruitgang .

"Boornitride is een stabiele isolator en commercieel zeer nuttig als beschermende coating, zelfs in cosmetica, omdat het ultraviolet licht absorbeert, " zei rijstmateriaalwetenschapper Pulickel Ajayan, wiens lab de studie leidde. "Er is veel moeite gedaan om de elektronische structuur te wijzigen, maar we dachten niet dat het zowel een halfgeleider als een magnetisch materiaal kon worden.

"Dus dit is iets heel anders; niemand heeft dit soort gedrag eerder gezien in boornitride, " hij zei.

De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van fluor aan h-BN defecten in de atomaire matrix introduceerde die de bandafstand voldoende verkleinde om er een halfgeleider van te maken. De bandgap bepaalt de elektrische geleidbaarheid van een materiaal.

"We zagen dat de kloof kleiner wordt bij ongeveer 5 procent fluorering, " zei Rice postdoctoraal onderzoeker en co-auteur Chandra Sekhar Tiwary. De kloof wordt kleiner met extra fluorering, maar slechts tot op zekere hoogte. "Het beheersen van de precieze fluorering is iets waar we aan moeten werken. We kunnen bereiken, maar we hebben nog geen perfecte controle. Omdat het materiaal atomair dun is, een atoom minder of meer verandert nogal wat.

"In de volgende reeks experimenten, we willen het precies leren afstemmen, atoom voor atoom, " hij zei.

Ze stelden vast dat de spanning die werd uitgeoefend door binnenvallende fluoratomen de "spin" van elektronen in de stikstofatomen veranderde en hun magnetische momenten beïnvloedde, de spookachtige kwaliteit die bepaalt hoe een atoom zal reageren op een magnetisch veld als een onzichtbaar, kompas op nanoschaal.

"We zien hoekgerichte spins, die zeer onconventioneel zijn voor 2D-materialen, " zei Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Sruthi Radhakrishnan. In plaats van zich op één lijn te stellen om ferromagneten te vormen of elkaar op te heffen, de spins zijn willekeurig hoekig, het platte materiaal willekeurige zakken van netmagnetisme geven. Deze ferromagneet- of anti-ferromagneetzakken kunnen in hetzelfde staal van h-BN voorkomen, waardoor ze "gefrustreerde magneten" zijn met concurrerende domeinen.

De onderzoekers zeiden dat hun eenvoudige, schaalbare methode kan mogelijk worden toegepast op andere 2D-materialen. "Nieuwe materialen maken door middel van nano-engineering is precies waar onze groep voor staat, ' zei Ajayan.

Co-authors of the paper are graduate students Carlos de los Reyes and Zehua Jin, chemistry lecturer Lawrence Alemany, postdoctoral researcher Vidya Kochat and Angel Martí, an associate professor of chemistry, of bioengineering and of materials science and nanoengineering, all of Rice; Valery Khabashesku of Rice and the Baker Hughes Center for Technology Innovation, Houston; Parambath Sudeep of Rice and the University of Toronto; Deya Das, Atanu Samanta and Rice alumnus Abhishek Singh of the Indian Institute of Science, Bangalore; Liangzi Deng and Ching-Wu Chu of the University of Houston; Thomas Weldeghiorghis of Louisiana State University and Ajit Roy of the Air Force Research Laboratories at Wright-Patterson Air Force Base.

Ajayan is chair of Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering and a professor of chemistry.