Un calcolo della teoria del funzionale della densità ha mostrato le proprietà magnetiche di un campione fluorurato di nitruro di boro esagonale. Questa versione è ferromagnetica, determinato da come gli atomi di fluoro (rosso) si attaccano alla matrice di boro e azoto. Credito:Ajayan Group/Rice University
Un po' di fluoro trasforma una ceramica isolante nota come grafene bianco in un semiconduttore a banda larga con proprietà magnetiche. Gli scienziati della Rice University hanno affermato che potrebbe rendere il materiale unico adatto per l'elettronica in ambienti estremi.
Un documento di prova dei ricercatori della Rice dimostra un modo per trasformare il nitruro di boro esagonale bidimensionale (h-BN) - noto anche come grafene bianco - da un isolante a un semiconduttore. Il magnetismo, loro hanno detto, è un bonus inaspettato.
Poiché il materiale atomicamente sottile è un eccezionale conduttore di calore, i ricercatori hanno suggerito che potrebbe essere utile per l'elettronica in applicazioni ad alta temperatura, forse anche come dispositivi di memoria magnetica.
La scoperta appare questa settimana in Progressi scientifici .
"Il nitruro di boro è un isolante stabile e commercialmente molto utile come rivestimento protettivo, anche nei cosmetici, perché assorbe la luce ultravioletta, ", ha detto lo scienziato dei materiali di riso Pulickel Ajayan, il cui laboratorio ha condotto lo studio. "C'è stato un grande sforzo per cercare di modificare la sua struttura elettronica, ma non pensavamo che potesse diventare sia un semiconduttore che un materiale magnetico.
"Quindi questo è qualcosa di molto diverso; nessuno ha mai visto questo tipo di comportamento nel nitruro di boro prima, " Egli ha detto.
I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di fluoro a h-BN introduceva difetti nella sua matrice atomica che riducevano il bandgap abbastanza da renderlo un semiconduttore. Il bandgap determina la conduttività elettrica di un materiale.
Un calcolo della teoria del funzionale della densità ha mostrato le proprietà magnetiche di un campione fluorurato di nitruro di boro esagonale. Questa versione è antiferromagnetica, determinato da come gli atomi di fluoro (rosso) si attaccano alla matrice di boro e azoto. Credito:Ajayan Group/Rice University
"Abbiamo visto che il divario diminuisce a circa il 5% di fluorurazione, ", ha affermato Chandra Sekhar Tiwary, ricercatrice post-dottorato e co-autrice di Rice. Il divario si riduce con l'aggiunta di fluorurazione, ma solo fino a un certo punto. "Il controllo della fluorurazione precisa è qualcosa su cui dobbiamo lavorare. Possiamo ottenere intervalli ma non abbiamo ancora un controllo perfetto. Poiché il materiale è atomicamente sottile, un atomo in meno o in più cambia parecchio.
"Nella prossima serie di esperimenti, vogliamo imparare a sintonizzarlo con precisione, atomo per atomo, " Egli ha detto.
Hanno determinato che la tensione applicata dall'invasione degli atomi di fluoro alterava lo "spin" degli elettroni negli atomi di azoto e influenzava i loro momenti magnetici, la qualità spettrale che determina come un atomo risponderà a un campo magnetico come un invisibile, bussola su scala nanometrica.
"Vediamo rotazioni orientate all'angolo, che sono molto non convenzionali per i materiali 2-D, ", ha affermato la studentessa laureata Rice e autrice principale Sruthi Radhakrishnan. Piuttosto che allinearsi per formare ferromagneti o annullarsi a vicenda, gli spin sono angolati casualmente, dando al materiale piatto tasche casuali di magnetismo netto. Queste sacche di ferromagnete o antiferromagnete possono esistere nello stesso campione di h-BN, che li rende "magneti frustrati" con domini concorrenti.
I ricercatori hanno detto che il loro semplice, metodo scalabile può essere potenzialmente applicato ad altri materiali 2-D. "Creare nuovi materiali attraverso la nanoingegneria è esattamente ciò di cui si occupa il nostro gruppo, "ha detto Ajayan.
Sruthi Radhakrishnan, studente laureato alla Rice University, mostra campioni di nitruro di boro esagonale puro e nitruro di boro esagonale fluorurato. La fluorurazione trasforma il materiale noto come grafene bianco, un isolante comune, in un semiconduttore magnetico che può essere adatto per elettronica e sensori in ambienti estremi. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Co-authors of the paper are graduate students Carlos de los Reyes and Zehua Jin, chemistry lecturer Lawrence Alemany, postdoctoral researcher Vidya Kochat and Angel Martí, an associate professor of chemistry, of bioengineering and of materials science and nanoengineering, all of Rice; Valery Khabashesku of Rice and the Baker Hughes Center for Technology Innovation, Houston; Parambath Sudeep of Rice and the University of Toronto; Deya Das, Atanu Samanta and Rice alumnus Abhishek Singh of the Indian Institute of Science, Bangalore; Liangzi Deng and Ching-Wu Chu of the University of Houston; Thomas Weldeghiorghis of Louisiana State University and Ajit Roy of the Air Force Research Laboratories at Wright-Patterson Air Force Base.
Ajayan is chair of Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering and a professor of chemistry.
