Ricercatori Flagship Graphene presso la RWTH Aachen University, Germania e ONERA-CNRS, Francia, in collaborazione con ricercatori del Peter Grunberg Institute, Germania, l'Università di Versailles, Francia, e Kansas State University, NOI, hanno riportato un significativo passo avanti nella coltivazione di nitruro di boro esagonale monoisotopico a pressione atmosferica per la produzione di cristalli grandi e di altissima qualità.

Il nitruro di boro esagonale (hBN) è l'eroe sconosciuto dei dispositivi a base di grafene. Molti progressi nell'ultimo decennio sono stati resi possibili dalla realizzazione che il "sandwich" di grafene tra due cristalli di hBN può migliorare significativamente la qualità e le prestazioni dei dispositivi risultanti. Questa scoperta ha aperto la strada a una serie di interessanti sviluppi, comprese le scoperte di effetti esotici come la superconduttività dell'angolo magico e dimostrazioni di prova di sensori con una sensibilità senza rivali.

Fino ad ora, i cristalli di hBN più utilizzati provenivano dal National Institute of Material Science di Tsukuba, Giappone. Questi cristalli vengono coltivati ​​mediante un processo ad alte temperature (oltre 1500°C) e pressioni estremamente elevate (oltre 40, 000 volte la pressione atmosferica). "Il contributo pionieristico dei ricercatori giapponesi Taniguchi e Watanabe alla ricerca sul grafene è inestimabile, " esordisce Christoph Stampfer della Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Germania. "Forniscono gratuitamente a centinaia di laboratori in tutto il mondo HBN ultrapuro. Senza il loro contributo, molto di quello che stiamo facendo oggi non sarebbe possibile".

Però, questo metodo di crescita dell'hBN presenta alcune limitazioni. Tra questi c'è la piccola dimensione del cristallo, che è limitato a poche centinaia di μm, e la complessità del processo di crescita. Questo è adatto per la ricerca fondamentale, ma al di là di questo, è necessario un metodo con una migliore scalabilità. Ora i ricercatori di Graphene Flagship hanno testato i cristalli di hBN cresciuti con una nuova metodologia che funziona a pressione atmosferica, sviluppato da un team di ricercatori guidati da James Edgar della Kansas State University, NOI. Questo nuovo approccio mostra grandi promesse per la ricerca e la produzione più esigenti.

"Ero molto emozionato quando Edgar mi ha proposto di testare la qualità del suo hBN, " dice Stampfer. "Il suo metodo di crescita potrebbe essere adatto per la produzione su larga scala." Il metodo per far crescere l'hBN a pressione atmosferica è infatti molto più semplice ed economico rispetto alle alternative precedenti e consente di controllare la concentrazione isotopica.

"I cristalli di hBN che abbiamo ricevuto erano i più grandi che abbia mai visto, ed erano tutti basati su boro-10 isotopicamente puro o boro-11", afferma Jens Sonntag, uno studente laureato presso Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag ha testato prima la qualità dei fiocchi utilizzando la spettroscopia confocale Raman. Inoltre, Partner Flagship Graphene in ONERA-CNRS, Francia, guidato da Annick Loiseau, effettuato misure di luminescenza avanzate. Entrambe le misurazioni hanno indicato un'elevata purezza degli isotopi e un'elevata qualità dei cristalli.

Però, la prova più forte per l'elevata qualità dell'hBN è arrivata dalle misurazioni del trasporto eseguite su dispositivi contenenti grafene inserito tra hBN monoisotopico. Hanno mostrato prestazioni equivalenti a un dispositivo all'avanguardia basato su hBN dal Giappone, con prestazioni migliori in alcune aree.

"Questa è una chiara indicazione della qualità estremamente elevata di questi cristalli di hBN, " dice Stampfer. "Questa è una grande notizia per l'intera comunità del grafene, perché dimostra che lo è, in linea di principio, possibile produrre hBN di alta qualità su larga scala, avvicinandoci di un passo alle applicazioni reali basate sull'elettronica e l'optoelettronica al grafene ad alte prestazioni. Per di più, la possibilità di controllare la concentrazione isotopica dei cristalli apre le porte a esperimenti che prima non erano possibili".

Mar García-Hernandez, Leader del pacchetto di lavoro per i materiali abilitanti, aggiunge:"Grafene autoportante, essendo il materiale più sottile conosciuto, presenta un'ampia superficie e, perciò, è estremamente sensibile all'ambiente circostante, quale, a sua volta, comporta un sostanziale degrado delle sue eccezionali proprietà. Però, esiste una strategia chiara per evitare questi effetti deleteri:incapsulare il grafene tra due strati protettivi".

García-Hernández continua:"Quando il grafene è incapsulato da hBN, rivela le sue proprietà intrinseche. Ciò rende l'hBN un materiale essenziale per integrare il grafene nelle tecnologie attuali e dimostra l'importanza di ideare nuovi percorsi sintetici scalabili per la produzione di hBN su larga scala. Questo lavoro non solo fornisce un percorso nuovo e più semplice per produrre cristalli hBN di alta qualità su larga scala, ma consente anche la produzione di materiale monoisotopico, che riduce ulteriormente la degradazione del grafene quando incapsulato da due strati."

Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene e presidente del suo comitato di gestione, aggiunge:"Questo è un bell'esempio di collaborazione tra UE e USA, che abbiamo promosso attraverso numerosi workshop bilaterali. L'ideazione di approcci alternativi per produrre cristalli hBN di alta qualità è fondamentale per consentirci di sfruttare le proprietà finali del grafene nelle applicazioni optoelettroniche. Per di più, questo lavoro porterà a significativi progressi nella ricerca fondamentale."