Op het gebied van 2D-elektronica, de norm was dat grafeen de hoofdrolspeler is en hexagonaal boornitride (hBN) de isolerende passieve ondersteuning is. Onderzoekers van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) deed een ontdekking die de rol van hBN zou kunnen veranderen. Ze hebben gemeld dat het stapelen van ultradunne vellen hBN op een bepaalde manier een geleidende grens creëert met een bandafstand van nul. Met andere woorden, hetzelfde materiaal zou de stroom van elektronen kunnen blokkeren, als een goede isolator, en ook elektriciteit geleiden op een specifieke locatie. Gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , dit resultaat zal naar verwachting de interesse in hBN wekken door het een actievere rol te geven in 2D-elektronica.

Net als bij grafeen, hBN is een 2D-materiaal met een hoge chemische, mechanische en thermische stabiliteit. hBN-platen lijken op kippengaas, en zijn gemaakt van zeshoekige ringen van afwisselende boor- en stikstofatomen, sterk met elkaar verbonden. Echter, in tegenstelling tot grafeen, hBN is een isolator met een grote bandgap van meer dan vijf elektronVolt, wat de toepassingen ervan beperkt.

"In tegenstelling tot het brede spectrum van voorgestelde toepassingen voor grafeen, hexagonaal boornitride wordt vaak beschouwd als een inert materiaal, grotendeels beperkt als substraat of elektronenbarrière voor op 2D-materiaal gebaseerde apparaten. Toen we met dit onderzoek begonnen, we waren ervan overtuigd dat het verminderen van de bandgap van hBN dit materiaal de veelzijdigheid van grafeen zou kunnen geven, " zegt de eerste auteur, Hyo Ju-park.

Verscheidene pogingen om de bandgap van hBN te verlagen waren meestal niet effectief vanwege de sterke covalente boor-stikstofbindingen en chemische inertie. IBS-onderzoekers in samenwerking met collega's van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sejong-universiteit, Korea, en Nanyang Technologische Universiteit, Singapore, slaagde erin een bepaalde stapelgrens van enkele hBN-lagen te produceren met een bandgap van nul elektronVolt.

Afhankelijk van hoe de hBN-platen zijn opgestapeld, het materiaal kan verschillende configuraties aannemen. Bijvoorbeeld, in de zogenaamde AA'-regeling, de atomen in de ene laag zijn direct uitgelijnd op de bovenkant van de atomen in een andere laag, maar opeenvolgende lagen worden zodanig geroteerd dat boor zich op stikstof bevindt en stikstof op booratomen. In een ander type lay-out, bekend als AB, de helft van de atomen van één laag ligt direct boven het midden van de zeshoekige ringen van de onderste laag, en de andere atomen overlappen met de atomen eronder.

Voor de eerste keer, het team heeft atomair scherpe AA'/AB-stapelgrenzen gerapporteerd die zijn gevormd in hBN met een paar lagen, gegroeid door chemische dampafzetting. Gekenmerkt door een lijn van langwerpige zeshoekige ringen, deze specifieke grens heeft nul bandgap. Om dit resultaat te bevestigen, het onderzoek voerde verschillende simulaties en tests uit via transmissie-elektronenmicroscopie, dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, en ab initio simulaties van moleculaire dynamica.

"Een atomair geleidend kanaal breidt het toepassingsgebied van boornitride oneindig uit, en opent nieuwe mogelijkheden voor all-hBN of alle 2-D nano-elektronische apparaten, " wijst de corresponderende auteur Zonghoon Lee aan.