Uno strato di nitruro di boro esagonale ha la forma di un filo di pollo, ed è formato dall'alternanza di boro (B, rosa) e azoto (N, blu). A seconda di come gli strati sono impilati insieme, il materiale assume diverse disposizioni:AA, AB, AC, AA', AB', e AC'. Il team ha raggiunto e studiato per la prima volta un limite di impilamento AA?/AB. Credito:IBS
Nel campo dell'elettronica 2-D, la norma era che il grafene fosse il protagonista principale e il nitruro di boro esagonale (hBN) il suo supporto passivo isolante. Ricercatori del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS, Corea del Sud) ha fatto una scoperta che potrebbe cambiare il ruolo di hBN. Hanno riferito che l'impilamento di fogli ultrasottili di hBN in un modo particolare crea un confine conduttivo con zero bandgap. In altre parole, lo stesso materiale potrebbe bloccare il flusso di elettroni, come un buon isolante, e anche condurre elettricità in un luogo specifico. Pubblicato sulla rivista Progressi scientifici , questo risultato dovrebbe aumentare l'interesse per l'hBN dandogli una parte più attiva nell'elettronica 2-D.
Analogamente al grafene, hBN è un materiale 2-D con elevata chimica, stabilità meccanica e termica. I fogli hBN assomigliano a un filo di pollo, e sono costituiti da anelli esagonali di atomi di boro e azoto alternati, fortemente legati insieme. Però, a differenza del grafene, hBN è un isolante con un ampio bandgap di oltre cinque elettronVolt, che ne limita le applicazioni.
"In contrasto con l'ampio spettro di applicazioni proposte per il grafene, il nitruro di boro esagonale è spesso considerato un materiale inerte, in gran parte confinato come substrato o barriera elettronica per dispositivi basati su materiali 2-D. Quando abbiamo iniziato questa ricerca, eravamo convinti che ridurre il bandgap dell'hBN potesse conferire a questo materiale la versatilità del grafene, "dice il primo autore, Parco Hyo Ju.
Diversi tentativi di ridurre il bandgap di hBN sono stati per lo più inefficaci a causa dei suoi forti legami covalenti boro-azoto e dell'inerzia chimica. Ricercatori IBS in collaborazione con i colleghi dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Università di Sejong, Corea, e l'Università tecnologica di Nanyang, Singapore, è riuscito a produrre un particolare limite di impilamento di alcuni strati di hBN con un bandgap di zero elettronVolt.
Un canale conduttivo si forma al confine di impilamento del foglio esagonale di nitruro di boro (hBN) che sembra essere cucito insieme con anelli esagonali oblunghi. Unisce una disposizione di tutti gli atomi di azoto che si trovano sopra gli atomi di boro, e tutti gli atomi di boro che giacciono sopra gli atomi di azoto in posizioni perfettamente allineate (lato sinistro del canale) e un'altra configurazione in cui metà degli atomi giacciono sopra il centro degli anelli del foglio inferiore, e l'altra metà si sovrappone agli atomi sottostanti (lato destro del canale). Credito:IBS
Immagini di microscopia elettronica a trasmissione di nitruro di boro esagonale a pochi strati con confini di impilamento AA'/AB atomicamente nitidi. I canali a banda proibita zero tra AA' e AB sono indicati con linee tratteggiate gialle in (b), e rappresentato ad alta risoluzione anche in (c), (d) ed (e). Credito:IBS
A seconda di come sono impilati i fogli hBN, il materiale può assumere diverse configurazioni. Per esempio, nel cosiddetto accordo AA', gli atomi in uno strato sono allineati direttamente sulla parte superiore degli atomi in un altro strato, ma gli strati successivi vengono ruotati in modo tale che il boro si trovi sull'azoto e l'azoto sugli atomi di boro. In un altro tipo di layout, noto come AB, metà degli atomi di uno strato giacciono direttamente sopra il centro degli anelli esagonali del foglio inferiore, e gli altri atomi si sovrappongono agli atomi sottostanti.
Per la prima volta, il team ha riportato confini di impilamento AA'/AB atomicamente nitidi formati in hBN a pochi strati cresciuti mediante deposizione chimica da vapore. Caratterizzato da una linea di anelli esagonali oblunghi, questo limite specifico ha zero bandgap. A conferma di questo risultato, la ricerca ha eseguito diverse simulazioni e test tramite microscopia elettronica a trasmissione, calcoli della teoria del funzionale della densità, e simulazioni ab initio di dinamica molecolare.
"Un canale di conduzione atomica espande infinitamente il campo di applicazione del nitruro di boro, e apre nuove possibilità per tutti i dispositivi nanoelettronici interamente in hBN o 2-D, " sottolinea l'autore corrispondente Zonghoon Lee.
