Un metodo appena scoperto per realizzare materiali bidimensionali potrebbe portare a nuove e straordinarie proprietà, in particolare in una classe di materiali chiamati nitruri, dicono gli scienziati dei materiali della Penn State che hanno scoperto il processo. Questa prima crescita in assoluto di nitruro di gallio bidimensionale utilizzando l'incapsulamento di grafene potrebbe portare ad applicazioni nei laser a ultravioletti profondi, elettronica e sensori di nuova generazione.

"Questi risultati sperimentali aprono nuove strade di ricerca sui materiali 2D, "dice Joshua Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Questo lavoro si concentra sulla produzione di nitruro di gallio 2D, cosa mai fatta prima".

Il nitruro di gallio nella sua forma tridimensionale è noto per essere un semiconduttore a banda larga. I semiconduttori a banda larga sono importanti per l'alta frequenza, applicazioni ad alta potenza. Quando cresciuto nella sua forma bidimensionale, il nitruro di gallio si trasforma da un materiale a banda larga a un materiale a banda ultra larga, triplicando efficacemente lo spettro energetico in cui può operare, compreso l'intero ultravioletto, spettro visibile e infrarosso. Questo lavoro avrà un impatto particolare sui dispositivi elettro-ottici che manipolano e trasmettono la luce.

"Questo è un nuovo modo di pensare alla sintesi di materiali 2D, "ha detto Zak Al Balushi, un dottorato di ricerca candidato coadiuvato da Robinson e Joan Redwing, professore di scienze e ingegneria dei materiali e ingegneria elettrica. Al Balushi è l'autore principale di un articolo apparso online oggi (29 agosto) sulla rivista Materiali della natura intitolato "Nitruro di gallio bidimensionale realizzato tramite incapsulamento di grafene".

"Abbiamo questa tavolozza di materiali 2D naturali, " ha continuato. "Ma per espandersi oltre questo, dobbiamo sintetizzare materiali che non esistono in natura. Tipicamente, i nuovi sistemi di materiali sono altamente instabili. Ma il nostro metodo di crescita, chiamato Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), utilizza uno strato di grafene per favorire la crescita e stabilizzare una struttura robusta di nitruro di gallio 2D".

Il grafene viene coltivato su un substrato di carburo di silicio, che è un substrato tecnologicamente importante ampiamente utilizzato nell'industria per i LED, radar e telecomunicazioni. Quando riscaldato, il silicio sulla superficie si decompone e lascia una superficie ricca di carbonio che può ricostruirsi in grafene. Il vantaggio di produrre il grafene in questo modo è che l'interfaccia in cui i due materiali si incontrano è perfettamente liscia.

Robinson ritiene che nel caso del nitruro di gallio bidimensionale, l'aggiunta di uno strato di grafene fa la differenza. Grafene, uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, è noto per le sue straordinarie proprietà elettroniche e robustezza.

"È la chiave, " dice Robinson. "Se provi a coltivare questi materiali nel modo tradizionale, su carburo di silicio, normalmente si formano solo isole. Non cresce in strati piacevoli sul carburo di silicio."

Quando si aggiungono atomi di gallio alla miscela, migrano attraverso il grafene e formano lo strato intermedio di un sandwich, con grafene che galleggia sopra. Quando si aggiungono atomi di azoto, avviene una reazione chimica che trasforma il gallio e l'azoto in nitruro di gallio.

"Il processo MEEG non solo produce fogli ultrasottili di nitruro di gallio, ma modifica anche la struttura cristallina del materiale, che può portare a applicazioni completamente nuove in elettronica e optoelettronica, " disse Redwing.