Ping Wang, un ricercatore post-dottorato in ingegneria elettrica e informatica, controlla i campioni esagonali monostrato di nitruro di boro/grafene cresciuti da un sistema MBE a temperatura ultraelevata. Questo è il primo metodo per produrre nitruro di boro esagonale su scala wafer di alta qualità e la scoperta potrebbe accelerare la ricerca sui dispositivi informatici e LED di prossima generazione. Credito:Brenda Ahearn/Università del Michigan, College of Engineering, Communications and Marketing
In una scoperta che potrebbe accelerare la ricerca sull'elettronica di prossima generazione e sui dispositivi LED, un team di ricerca dell'Università del Michigan ha sviluppato il primo metodo affidabile e scalabile per coltivare singoli strati di nitruro di boro esagonale su grafene.
Il processo, che può produrre grandi fogli di hBN di alta qualità con il processo di epitassia a fascio molecolare ampiamente utilizzato, è descritto in dettaglio in uno studio in Materiali avanzati .
Le strutture di grafene-hBN possono alimentare i LED che generano luce UV profonda, cosa impossibile nei LED di oggi, ha affermato Zetian Mi, professore di ingegneria elettrica e informatica e autore corrispondente dello studio. I LED UV profondi potrebbero ridurre le dimensioni e aumentare l'efficienza in una varietà di dispositivi, inclusi laser e purificatori d'aria.
"La tecnologia utilizzata per generare luce UV profonda oggi sono le lampade allo xeno al mercurio, che sono calde, ingombranti, inefficienti e contengono materiali tossici", ha affermato Mi. "Se potessimo generare quella luce con i LED, potremmo assistere a una rivoluzione dell'efficienza nei dispositivi UV simile a quella che abbiamo visto quando le lampadine a LED hanno sostituito le lampadine a incandescenza."
Il nitruro di boro esagonale è l'isolante più sottile al mondo, mentre il grafene è il più sottile di una classe di materiali chiamati semimetalli, che hanno proprietà elettriche altamente malleabili e sono importanti per il loro ruolo nei computer e in altri dispositivi elettronici.
L'unione di hBN e grafene in strati lisci e spessi un atomo scatena un tesoro di proprietà esotiche. Oltre ai LED UV profondi, le strutture grafene-hBN potrebbero consentire dispositivi di calcolo quantistico, elettronica e optoelettronica più piccole ed efficienti e una varietà di altre applicazioni.
"I ricercatori conoscono le proprietà dell'hBN da anni, ma in passato l'unico modo per ottenere i fogli sottili necessari per la ricerca era esfoliarli fisicamente da un cristallo di nitruro di boro più grande, che è laborioso e produce solo minuscole scaglie del materiale", ha detto Mi. "Il nostro processo può far crescere fogli sottili su scala atomica di qualsiasi dimensione, il che apre molte nuove interessanti possibilità di ricerca."
Poiché il grafene e l'hBN sono così sottili, possono essere utilizzati per costruire dispositivi elettronici molto più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli disponibili oggi. Strutture stratificate di hBN e grafene possono anche esibire proprietà esotiche che potrebbero memorizzare informazioni nei dispositivi di calcolo quantistico, come la capacità di passare da un conduttore a un isolante o supportare spin di elettroni insoliti.
Sebbene in passato i ricercatori abbiano tentato di sintetizzare strati sottili di hBN utilizzando metodi come lo sputtering e la deposizione chimica da vapore, hanno lottato per ottenere gli strati di atomi uniformi e ordinati con precisione necessari per legarsi correttamente con lo strato di grafene.
"Per ottenere un prodotto utile, hai bisogno di file coerenti e ordinate di atomi hBN che si allineano con il grafene sottostante, e gli sforzi precedenti non sono stati in grado di raggiungerlo", ha affermato Ping Wang, un ricercatore post-dottorato in ingegneria elettrica e informatica. "Alcuni degli hBN sono andati giù ordinatamente, ma molte aree erano disordinate e allineate in modo casuale."
Il team, composto da ingegneria elettrica e informatica, scienza e ingegneria dei materiali e ricercatori di fisica, ha scoperto che file ordinate di atomi di hBN sono più stabili alle alte temperature rispetto alle formazioni frastagliate indesiderabili. Forte di questa conoscenza, Wang iniziò a sperimentare l'epitassia del fascio molecolare, un processo industriale che equivale a spruzzare singoli atomi su un substrato.
Wang ha utilizzato un substrato di grafene terrazzato, essenzialmente una scala su scala atomica, e lo ha riscaldato a circa 1600 gradi Celsius prima di spruzzare su singoli atomi di boro e azoto attivo. Il risultato ha superato di gran lunga le aspettative del team, formando cuciture ben ordinate di hBN sui bordi terrazzati del grafene, che si sono espanse in ampi nastri di materiale.
"Sperimentare con grandi quantità di hBN incontaminato è stato un sogno lontano per molti anni, ma questa scoperta cambia le cose", ha detto Mi. "Questo è un grande passo avanti verso la commercializzazione di strutture quantistiche 2D."
Questo risultato non sarebbe stato possibile senza la collaborazione di una varietà di discipline. La teoria matematica alla base di parte del lavoro ha coinvolto ricercatori di ingegneria elettrica e informatica e scienza e ingegneria dei materiali, della UM e della Yale University.
Il laboratorio di Mi ha sviluppato il processo, sintetizzato il materiale e caratterizzato le sue interazioni con la luce. Quindi, scienziati dei materiali e ingegneri dell'UM e collaboratori dell'Ohio State University hanno studiato in dettaglio le sue proprietà strutturali ed elettriche. + Esplora ulteriormente
