I ricercatori della Rice University hanno trovato un modo per cucire grafene e nitruro di boro esagonale (h-BN) in una trapunta bidimensionale che offre nuovi percorsi di esplorazione per gli scienziati dei materiali.

La tecnica ha implicazioni per l'applicazione di materiali di grafene nella microelettronica che scalano ben al di sotto dei limiti del silicio determinati dalla legge di Moore.

Nuova ricerca dal laboratorio di Pulickel Ajayan, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson di Rice Professori di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica, dimostra un modo per ottenere un controllo preciso nella creazione di tale ibrido, Strutture 2-D.

Gli strati di h-BN dello spessore di un singolo atomo hanno la stessa struttura reticolare del grafene, ma elettricamente i materiali sono agli estremi opposti dello spettro:h-BN è un isolante, considerando che il grafene, la forma a strato singolo del carbonio, è altamente conduttivo. La capacità di assemblarli in un unico reticolo potrebbe portare a una ricca varietà di strutture 2-D con proprietà elettriche che vanno dal conduttore metallico al semiconduttore all'isolante.

Poiché il grafene è un conduttore e h-BN è un isolante, la proporzione dell'uno rispetto all'altro determina quanto bene questo nuovo materiale conduce gli elettroni. Lijie Ci e Li Song, entrambi ricercatori post-dottorato nel laboratorio di Ajayan, scoperto che deponendo i domini di h-BN e carbonio tramite deposizione chimica da vapore (CVD), sono stati in grado di controllare il rapporto tra i materiali nel film che ne è risultato.

Ci e Song sono i principali autori di un articolo sull'opera apparso nell'edizione online di Materiali della natura questa settimana.

Ajayan ha detto che la scoperta è elettrizzante per uno scienziato dei materiali.

"Dal punto di vista del grafene, ora ci dà l'opportunità di esplorare l'ingegneria del band-gap in sistemi a strati bidimensionali, " disse. "L'intero diagramma di fase del boro, carbonio e azoto è affascinante, inesplorato e offre un grande parco giochi per gli scienziati dei materiali.

"Questa è solo la prima istanza che mostra che queste strutture possono effettivamente essere coltivate in 2-D come il grafene, " ha detto Ajayan. "Penso che l'intero nuovo campo sarà entusiasmante per la fisica di base e le applicazioni elettro-ottiche".

Il grafene è stato oggetto di intensi studi negli ultimi anni per la sua elevata conducibilità e la possibilità di manipolarlo su scale che vanno ben al di sotto dei limiti teorici per i circuiti in silicio. Uno strato di grafene è un reticolo esagonale di atomi di carbonio. All'ingrosso, si chiama grafite, roba da matita. Il grafene è stato isolato per la prima volta nel 2004 da scienziati britannici che hanno utilizzato lo scotch per estrarre strati di un singolo atomo dalla grafite.

"Il grafene è un materiale molto caldo in questo momento, " disse Canzone, che aveva collaborato con Ci per indagare sul drogaggio del grafene con vari materiali per determinarne le proprietà semiconduttive. Sapendo che sia il boro che l'azoto erano già stati utilizzati nel drogaggio della grafite sfusa, hanno deciso di provare a cucinarlo tramite CVD su una base di rame.

Strutturalmente, h-BN è lo stesso del grafene, un reticolo esagonale di atomi di carbonio che sembra un filo di pollo. Ci e Song hanno scoperto che tramite CVD, grafene e h-BN fusi in un unico foglio atomico, con pozze di h-BN che rompono la matrice di carbonio.

Il fattore critico per i materiali elettronici è il band gap, che deve essere sintonizzato in modo controllato per le applicazioni. Il grafene è un materiale a gap zero, ma sono stati proposti modi per adattare questo divario modellandolo in strisce su scala nanometrica e drogandolo con altri elementi.

Ci e Song hanno adottato un approccio diverso attraverso CVD, controllando il rapporto tra carbonio e h-BN su un grande, gamma utile.

Rimane difficile produrre singoli strati del materiale ibrido, poiché la maggior parte dei film prodotti in laboratorio contiene due o tre strati. Inoltre, i ricercatori non possono ancora controllare il posizionamento dei pool di h-BN in un singolo foglio o gli angoli di rotazione tra gli strati, ma ci stanno lavorando.

Infatti, avere più strati dell'ibrido a varie angolazioni crea ancora più possibilità, loro hanno detto. "Per il grafene puro, questa rotazione influenzerà le proprietà elettroniche, " disse Ci, che si è trasferito con il laboratorio di Ajayan dal Rensselaer Polytechnic Institute a Houston nel 2007.

I ricercatori stanno valutando la possibilità di produrre questi materiali su wafer su scala industriale. Fogli di grafene larghi diversi pollici sono già stati sintetizzati in altri laboratori, Ci ha detto. E poiché il grafene può essere modellato litograficamente e tagliato in forme, il nuovo materiale ha un grande potenziale per essere fabbricato in dispositivi utili con proprietà elettriche controllabili.