Forskere opfinder sidelæns tilgang til 2-D hybrid

(Phys.org) —Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, Knoxville har været banebrydende for en ny teknik til at danne en todimensionel, enkeltatomark af to forskellige materialer med en sømløs grænse.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , kunne muliggøre brugen af ​​nye typer 2-D hybridmaterialer i teknologiske anvendelser og grundforskning.

Ved at gentænke en traditionel metode til dyrkning af materialer, forskerne kombinerede to forbindelser - grafen og bornitrid - i et enkelt lag med kun et atom tykt. grafen, som består af carbonatomer arrangeret i sekskantet, honningkage-lignende ringe, har tiltrukket sig bølger af opmærksomhed på grund af dens høje styrke og elektroniske egenskaber.

"Folk kalder grafen et vidundermateriale, der kan revolutionere landskabet af nanoteknologi og elektronik, " sagde ORNLs An-Ping Li. "Så sandt, grafen har et stort potentiale, men det har grænser. For at gøre brug af grafen i applikationer eller enheder, vi er nødt til at integrere grafen med andre materialer."

En metode til at kombinere forskellige materialer til heterostrukturer er epitaksi, hvor et materiale dyrkes oven på et andet, således at begge har den samme krystallinske struktur. For at dyrke 2D-materialerne, ORNL-UT-forskerholdet styrede vækstprocessen horisontalt i stedet for vertikalt.

Forskerne dyrkede først grafen på en kobberfolie, ætset grafen for at skabe rene kanter, og derefter voksede bornitrid gennem kemisk dampaflejring. I stedet for at tilpasse sig strukturen af ​​kobberbasislaget som i konventionel epitaksi, bornitrid-atomerne overtog grafenens krystallografi.

"Grafenstykket fungerede som et frø til epitaksial vækst i todimensionelt rum, således at bornitridets krystallografi udelukkende bestemmes af grafen, " UT's Gong Gu sagde.

Ikke kun kombinerede holdets teknik de to materialer, det producerede også en atomisk skarp grænse, en endimensionel grænseflade, mellem de to materialer. Evnen til omhyggeligt at kontrollere denne grænseflade, eller "heterojunction, "er vigtigt fra et anvendt og grundlæggende perspektiv, siger Gu.

"Hvis vi ønsker at udnytte grafen i en applikation, vi skal gøre brug af grænsefladeegenskaberne, siden som nobelpristageren Herbert Kroemer engang sagde 'grænsefladen er enheden, '" sagde Li. "Ved at skabe dette rene, sammenhængende, 1-D interface, vores teknik giver os mulighed for at fremstille grafen-baserede enheder til rigtige applikationer."

Den nye teknik giver også forskere mulighed for eksperimentelt at undersøge den videnskabeligt spændende grafen-bornitrid-grænse for første gang.

"Der er en enorm mængde af teoretisk litteratur, der forudsiger vidunderlige fysiske egenskaber ved denne ejendommelige grænse, i mangel af eksperimentel validering indtil videre, " sagde Li, der leder en ORNL-indsats for at studere struktur-transportforhold på atomniveau ved hjælp af laboratoriets unikke fire-probe scanningstunneling mikroskopi facilitet. "Nu har vi en platform til at udforske disse ejendomme."

Forskerholdet forudser, at dets metode kan anvendes på andre kombinationer af 2-D materialer, forudsat at de forskellige krystallinske strukturer er ens nok til at matche hinanden.