Cosa rende qualcosa un cristallo? Una gemma trasparente e scintillante? Non necessariamente, nel mondo microscopico. Quando tutti i suoi atomi sono disposti secondo regole matematiche specifiche, chiamiamo il materiale un singolo cristallo. Poiché il mondo naturale ha la sua simmetria unica, per esempio., fiocchi di neve o favi, il mondo atomico dei cristalli è disegnato dalle sue stesse regole di struttura e simmetria. Questa struttura del materiale ha un profondo effetto anche sulle sue proprietà fisiche. Nello specifico, i singoli cristalli svolgono un ruolo importante nell'indurre le proprietà intrinseche di un materiale nella sua piena estensione. Di fronte alla prossima fine del processo di miniaturizzazione che il circuito integrato a base di silicio ha permesso fino a questo punto, grandi sforzi sono stati dedicati a trovare un sostituto cristallino per il silicio.

Alla ricerca del transistor del futuro, materiali bidimensionali (2-D), soprattutto grafene, sono stati oggetto di intense ricerche in tutto il mondo. Essendo sottile e flessibile a causa dell'essere solo un singolo strato di atomi, questa versione 2-D del carbonio presenta anche una conduttività elettrica e termica senza precedenti. Però, gli sforzi dell'ultimo decennio per i transistor al grafene sono stati ostacolati da restrizioni fisiche:il grafene non consente alcun controllo sul flusso di elettricità a causa della mancanza di band gap. Allora, che dire di altri materiali 2-D? È stato riportato che un certo numero di interessanti materiali 2-D hanno proprietà simili o addirittura superiori. Ancora, la mancanza di comprensione nella creazione di condizioni sperimentali ideali per materiali 2-D di grandi dimensioni ha limitato la loro dimensione massima a pochi millimetri.

Gli scienziati del Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) hanno presentato un nuovo approccio per sintetizzare su larga scala, dimensione del wafer di silicio, materiali monocristallini 2-D. Il Prof. Feng Ding e la signora Leining Zhang in collaborazione con i loro colleghi dell'Università di Pechino, La Cina e altre istituzioni hanno trovato un substrato con un ordine di simmetria inferiore a quello di un materiale 2-D che facilita la sintesi di materiali 2-D monocristallini in una vasta area. "Era fondamentale trovare il giusto equilibrio di simmetrie rotazionali tra un substrato e un materiale 2-D, " nota il prof. Feng Ding, uno degli autori corrispondenti di questo studio. I ricercatori hanno sintetizzato con successo singoli cristalli di hBN di 10 x 10 cm ² utilizzando un nuovo substrato:una superficie vicino a Cu(110) che ha una simmetria inferiore di (1) rispetto a hBN con (3).

Perché la simmetria è importante? Simmetria, in particolare simmetria rotazionale, descrive quante volte una determinata forma si adatta a se stessa durante una rotazione completa di 360 gradi. Il metodo più efficiente per sintetizzare cristalli singoli e di grandi dimensioni di materiali 2-D consiste nel disporre strati su strati di piccoli cristalli singoli e farli crescere su un substrato. In questa crescita epitassiale, è piuttosto difficile garantire che tutti i singoli cristalli siano allineati in un'unica direzione. L'orientamento dei cristalli è spesso influenzato dal substrato sottostante. Per analisi teorica, gli scienziati dell'IBS hanno scoperto che un'isola hBN (o un gruppo di atomi di hBN che formano un'unica forma triangolare) ha due allineamenti equivalenti sulla superficie Cu(111) che ha una simmetria molto alta di (6). "Era opinione comune che un substrato con un'elevata simmetria potesse portare alla crescita di materiali con un'elevata simmetria. Sembrava avere un senso intuitivo, ma questo studio ha scoperto che non è corretto, "dice la signora Leining Zhang, il primo autore dello studio.

In precedenza, vari substrati come Cu(111) sono stati utilizzati per sintetizzare hBN monocristallino in una vasta area, ma nessuno di loro ha avuto successo. Ogni sforzo si è concluso con le isole hBN allineate in diverse direzioni sulle superfici. Convinto dal fatto che la chiave per ottenere un allineamento unidirezionale è ridurre la simmetria del substrato, i ricercatori hanno compiuto enormi sforzi per ottenere superfici vicinali con orientamento Cu(110); una superficie ottenuta tagliando un Cu(110) con un piccolo angolo di inclinazione. È come formare passi fisici su Cu. Poiché un'isola hBN tende a posizionarsi parallelamente al bordo di ogni gradino, ottiene un solo allineamento preferito. Il piccolo angolo di inclinazione abbassa anche la simmetria della superficie.

I ricercatori hanno infine scoperto che una classe di superfici vicinali di Cu (110) può essere utilizzata per supportare la crescita di hBN con un allineamento perfetto. Su un substrato accuratamente selezionato con la simmetria più bassa (o la superficie si ripeterà solo dopo una rotazione di 360 gradi), hBN ha solo una direzione di allineamento preferita. Il team di ricerca del Prof. Kaihui Liu dell'Università di Pechino ha sviluppato un metodo unico per ricottura di un grande foglio di Cu, fino a 10 x 10 cm ² , in un singolo cristallo con la superficie vicinale Cu (110), e con esso, hanno ottenuto la sintesi di singoli cristalli di hBN della stessa dimensione.

Oltre alla flessibilità e allo spessore ultrasottile, i materiali 2-D emergenti possono presentare proprietà straordinarie quando vengono ingranditi come cristalli singoli. "Questo studio fornisce una linea guida generale per la sintesi sperimentale di vari materiali 2-D. Oltre all'hBN, molti altri materiali 2-D potrebbero essere sintetizzati con substrati monocristallini di ampia area con bassa simmetria, " dice il prof. Feng Ding. In particolare, hBN è l'isolante 2-D più rappresentativo, which is different from the conductive 2-D materials, come il grafene, and 2-D semiconductors, such as molybdenum disulfide (MoS ₂ ). The vertical stacking of various types of 2-D materials, such as hBN, graphene and MoS ₂ , would lead to a large number of new materials with exceptional properties and can be used for numerous applications, such as high-performance electronics, sensori, or wearable electronics."