Graphene Flagship-onderzoekers aan de RWTH Aachen University, Duitsland en ONERA-CNRS, Frankrijk, in samenwerking met onderzoekers van het Peter Grunberg Instituut, Duitsland, de Universiteit van Versailles, Frankrijk, en Kansas State University, ONS, hebben een belangrijke stap voorwaarts gemeld in het kweken van mono-isotopisch hexagonaal boornitride bij atmosferische druk voor de productie van grote en zeer hoogwaardige kristallen.

Zeshoekig boornitride (hBN) is de onbezongen held van op grafeen gebaseerde apparaten. Veel vooruitgang in het afgelopen decennium werd mogelijk gemaakt door het besef dat het 'sandwichen' van grafeen tussen twee hBN-kristallen de kwaliteit en prestaties van de resulterende apparaten aanzienlijk kan verbeteren. Deze bevinding maakte de weg vrij voor een reeks opwindende ontwikkelingen, inclusief de ontdekkingen van exotische effecten zoals supergeleiding met magische hoek en proof-of-concept demonstraties van sensoren met een ongeëvenaarde gevoeligheid.

Tot nu, de meest gebruikte hBN-kristallen kwamen van het National Institute of Material Science in Tsukuba, Japan. Deze kristallen worden gekweekt met behulp van een proces bij hoge temperaturen (meer dan 1500°C) en extreem hoge drukken (meer dan 40, 000 keer atmosferische druk). "De baanbrekende bijdrage van de Japanse onderzoekers Taniguchi en Watanabe aan grafeenonderzoek is van onschatbare waarde, " begint Christoph Stampfer van Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Duitsland. "Ze voorzien honderden laboratoria over de hele wereld kosteloos van ultrazuiver hBN. Zonder hun bijdrage, veel van wat we vandaag doen, zou niet mogelijk zijn."

Echter, deze hBN-groeimethode heeft enkele beperkingen. Onder hen is de kleine kristalgrootte, die beperkt is tot een paar honderd m, en de complexiteit van het groeiproces. Dit is geschikt voor fundamenteel onderzoek, maar verder, een methode met een betere schaalbaarheid is nodig. Nu hebben Graphene Flagship-onderzoekers hBN-kristallen getest die zijn gegroeid met een nieuwe methode die werkt bij atmosferische druk, ontwikkeld door een team van onderzoekers onder leiding van James Edgar aan de Kansas State University, ONS. Deze nieuwe aanpak belooft veel goeds voor veeleisender onderzoek en productie.

"Ik was erg opgewonden toen Edgar voorstelde om de kwaliteit van zijn hBN te testen, ", zegt Stampfer. "Zijn groeimethode zou geschikt kunnen zijn voor grootschalige productie." De methode om hBN bij atmosferische druk te kweken is inderdaad veel eenvoudiger en goedkoper dan eerdere alternatieven en maakt het mogelijk om de isotopenconcentratie te regelen.

"De hBN-kristallen die we ontvingen waren de grootste die ik ooit heb gezien, en ze waren allemaal gebaseerd op isotopisch zuiver boor-10 of boor-11", zegt Jens Sonntag, een afgestudeerde student aan Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag testte eerst de kwaliteit van de vlokken met behulp van confocale Raman-spectroscopie. In aanvulling, Graphene Flagship-partners in ONERA-CNRS, Frankrijk, onder leiding van Annick Loiseau, geavanceerde luminescentiemetingen uitgevoerd. Beide metingen wezen op een hoge isotoopzuiverheid en een hoge kristalkwaliteit.

Echter, het sterkste bewijs voor de hoge hBN-kwaliteit kwam van transportmetingen die werden uitgevoerd op apparaten die grafeen bevatten tussen mono-isotopisch hBN. Ze vertoonden gelijkwaardige prestaties als een ultramodern apparaat op basis van hBN uit Japan, met betere prestaties op sommige gebieden.

"Dit is een duidelijke indicatie van de extreem hoge kwaliteit van deze hBN-kristallen, ", zegt Stampfer. "Dit is geweldig nieuws voor de hele grafeengemeenschap, omdat het laat zien dat het zo is, in principe, mogelijk om op grote schaal hBN van hoge kwaliteit te produceren, brengt ons een stap dichter bij echte toepassingen op basis van hoogwaardige grafeenelektronica en opto-elektronica. Verder, de mogelijkheid om de isotopenconcentratie van de kristallen te regelen opent de deur naar experimenten die voorheen niet mogelijk waren."

Mar García-Hernández, Werkpakketleider voor inschakelende materialen, voegt toe:"Vrijstaand grafeen, omdat het het dunste materiaal is dat bekend is, heeft een groot oppervlak en daarom, is extreem gevoelig voor zijn omgeving, die, beurtelings, resulteert in een aanzienlijke degradatie van zijn uitzonderlijke eigenschappen. Echter, er is een duidelijke strategie om deze schadelijke effecten te vermijden:grafeen inkapselen tussen twee beschermende lagen."

García-Hernández vervolgt:"Wanneer grafeen wordt ingekapseld door hBN, het onthult zijn intrinsieke eigenschappen. Dit maakt hBN een essentieel materiaal om grafeen te integreren in huidige technologieën en toont het belang aan van het bedenken van nieuwe schaalbare synthetische routes voor grootschalige hBN-productie. Dit werk biedt niet alleen een nieuw en eenvoudiger pad om op grote schaal hBN-kristallen van hoge kwaliteit te produceren, maar het maakt ook de productie van mono-isotopisch materiaal mogelijk, wat de afbraak van grafeen verder vermindert wanneer het wordt ingekapseld door twee lagen."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het managementpanel, voegt toe:"Dit is een mooi voorbeeld van samenwerking tussen de EU en de VS, die we hebben gestimuleerd via tal van bilaterale workshops. Het bedenken van alternatieve benaderingen om hBN-kristallen van hoge kwaliteit te produceren, is cruciaal om ons in staat te stellen de ultieme eigenschappen van grafeen in opto-elektronische toepassingen te benutten. Verder, dit werk zal leiden tot aanzienlijke vooruitgang in fundamenteel onderzoek."