In een ontdekking die het onderzoek naar elektronica en LED-apparaten van de volgende generatie zou kunnen versnellen, heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Michigan de eerste betrouwbare, schaalbare methode ontwikkeld voor het kweken van enkele lagen hexagonaal boornitride op grafeen.

Het proces, dat grote vellen hBN van hoge kwaliteit kan produceren met het veelgebruikte moleculaire bundelepitaxieproces, wordt gedetailleerd beschreven in een onderzoek in Advanced Materials .

Grafeen-hBN-structuren kunnen LED's van stroom voorzien die diep-UV-licht genereren, wat onmogelijk is in de huidige LED's, zei Zetian Mi, UM-hoogleraar elektrotechniek en informatica en een corresponderende auteur van het onderzoek. Diep-UV-LED's kunnen een kleiner formaat en een grotere efficiëntie opleveren in een verscheidenheid aan apparaten, waaronder lasers en luchtreinigers.

"De technologie die tegenwoordig wordt gebruikt om diep-UV-licht te genereren, zijn kwik-xenonlampen, die heet, omvangrijk, inefficiënt zijn en giftige materialen bevatten," zei Mi. "Als we dat licht kunnen genereren met LED's, zouden we een efficiëntierevolutie in UV-apparaten kunnen zien, vergelijkbaar met wat we zagen toen LED-lampen gloeilampen vervingen."

Zeshoekig boornitride is 's werelds dunste isolator, terwijl grafeen de dunste is van een klasse van materialen die halfmetalen worden genoemd, die zeer kneedbare elektrische eigenschappen hebben en belangrijk zijn voor hun rol in computers en andere elektronica.

Door hBN en grafeen aan elkaar te binden in gladde lagen van één atoom dik, ontstaat een schat aan exotische eigenschappen. Naast diep-UV-LED's kunnen grafeen-hBN-structuren quantumcomputerapparatuur, kleinere en efficiëntere elektronica en opto-elektronica en tal van andere toepassingen mogelijk maken.

"Onderzoekers zijn al jaren op de hoogte van de eigenschappen van hBN, maar in het verleden was de enige manier om de dunne platen die nodig zijn voor onderzoek te krijgen, ze fysiek te exfoliëren van een groter boornitride-kristal, wat arbeidsintensief is en slechts kleine schilfers oplevert. van het materiaal," zei Mi. "Ons proces kan op atomaire schaal dunne platen van vrijwel elke grootte laten groeien, wat veel opwindende nieuwe onderzoeksmogelijkheden opent."

Omdat grafeen en hBN zo dun zijn, kunnen ze worden gebruikt om elektronische apparaten te bouwen die veel kleiner en energiezuiniger zijn dan de huidige. Gelaagde structuren van hBN en grafeen kunnen ook exotische eigenschappen vertonen die informatie kunnen opslaan in kwantumcomputers, zoals het vermogen om van een geleider naar een isolator te schakelen of ongebruikelijke elektronenspins te ondersteunen.

Terwijl onderzoekers in het verleden hebben geprobeerd dunne lagen hBN te synthetiseren met behulp van methoden zoals sputteren en chemische dampafzetting, hadden ze moeite om de gelijkmatige, nauwkeurig geordende lagen van atomen te krijgen die nodig zijn om correct te hechten aan de grafeenlaag.

"Om een ​​bruikbaar product te krijgen, heb je consistente, geordende rijen hBN-atomen nodig die zijn uitgelijnd met het grafeen eronder, en eerdere inspanningen waren niet in staat om dat te bereiken", zegt Ping Wang, een postdoctoraal onderzoeker in elektrotechniek en informatica. "Een deel van de hBN ging netjes naar beneden, maar veel gebieden waren ongeordend en willekeurig uitgelijnd."

Het team, bestaande uit elektrotechniek en computerwetenschappen, materiaalwetenschap en techniek, en natuurkunde-onderzoekers, ontdekte dat keurige rijen hBN-atomen stabieler zijn bij hoge temperaturen dan de ongewenste gekartelde formaties. Gewapend met die kennis begon Wang te experimenteren met moleculaire bundelepitaxie, een industrieel proces dat neerkomt op het sproeien van individuele atomen op een substraat.

Wang gebruikte een terrasvormig grafeensubstraat - in wezen een trap op atomaire schaal - en verwarmde het tot ongeveer 1600 graden Celsius voordat hij op individuele boor- en actieve stikstofatomen sproeide. Het resultaat overtrof de verwachtingen van het team ver en vormde keurig geordende naden van hBN op de terrasvormige randen van grafeen, die uitgroeiden tot brede linten van materiaal.

"Experimenteren met grote hoeveelheden ongerept hBN was jarenlang een verre droom, maar deze ontdekking verandert dat," zei Mi. "Dit is een grote stap in de richting van de commercialisering van 2D-kwantumstructuren."

Dit resultaat was niet mogelijk geweest zonder de samenwerking van verschillende disciplines. De wiskundige theorie die ten grondslag lag aan een deel van het werk, omvatte onderzoekers op het gebied van elektrotechniek en informatica en materiaalwetenschap en -techniek, van UM en Yale University.

Mi's lab ontwikkelde het proces, synthetiseerde het materiaal en karakteriseerde de interacties met licht. Vervolgens bestudeerden materiaalwetenschappers en ingenieurs van U-M en medewerkers van de Ohio State University de structurele en elektrische eigenschappen in detail. + Verder verkennen

Rekken verandert de elektronische eigenschappen van grafeen