Grafen nøgle til voksende 2-D halvleder med ekstraordinære egenskaber

En nyopdaget metode til fremstilling af todimensionelle materialer kan føre til nye og ekstraordinære egenskaber, især i en klasse af materialer kaldet nitrider, siger materialeforskerne i Penn State, der opdagede processen. Denne første vækst nogensinde af todimensionelt galliumnitrid ved hjælp af grafenindkapsling kan føre til anvendelser i dybe ultraviolette lasere, næste generations elektronik og sensorer.

"Disse eksperimentelle resultater åbner nye muligheder for forskning i 2D-materialer, " siger Joshua Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik. "Dette arbejde fokuserer på at lave 2D galliumnitrid, hvilket aldrig er blevet gjort før."

Galliumnitrid i sin tredimensionelle form er kendt for at være en halvleder med bred båndgab. Halvledere med bred båndgab er vigtige for højfrekvens, højeffektapplikationer. Når den dyrkes i sin todimensionelle form, galliumnitrid omdannes fra et materiale med bred båndgab til et materiale med ultrabredt båndgab, effektivt tredoble det energispektrum, det kan operere i, inklusive hele ultraviolet, synligt og infrarødt spektrum. Dette arbejde vil have en særlig indflydelse på elektro-optiske enheder, der manipulerer og transmitterer lys.

"Dette er en ny måde at tænke syntetisering af 2D-materialer på, " sagde Zak Al Balushi, en ph.d. kandidat medrådgivet af Robinson og Joan Redwing, professor i materialevidenskab og teknik og elektroteknik. Al Balushi er hovedforfatter på et papir, der vises online i dag (29. august) i tidsskriftet Naturmaterialer med titlen "Todimensionel Gallium Nitride Realized via Graphene Encapsulation."

"Vi har denne palet af naturligt forekommende 2D-materialer, " fortsatte han. "Men for at udvide ud over dette, vi er nødt til at syntetisere materialer, der ikke findes i naturen. Typisk, nye materialesystemer er meget ustabile. Men vores vækstmetode, kaldet Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), bruger et lag af grafen til at hjælpe væksten og stabilisere en robust struktur af 2D galliumnitrid."

Grafenen dyrkes på et substrat af siliciumcarbid, som er et teknologisk vigtigt substrat, der anvendes bredt i industrien til LED'er, radar og telekommunikation. Ved opvarmning, siliciumet på overfladen nedbrydes og efterlader en kulstofrig overflade, der kan rekonstrueres til grafen. Fordelen ved at fremstille grafenen på denne måde er, at grænsefladen, hvor de to materialer mødes, er perfekt glat.

Robinson mener, at i tilfælde af todimensionelt galliumnitrid, tilføjelsen af ​​et lag grafen gør hele forskellen. grafen, et et-atom-tykt lag af kulstofatomer, er kendt for sine bemærkelsesværdige elektroniske egenskaber og styrke.

"Det er nøglen, " siger Robinson. "Hvis du prøver at dyrke disse materialer på den traditionelle måde, på siliciumcarbid, man danner normalt bare øer. Den vokser ikke i pæne lag på siliciumcarbiden."

Når galliumatomer tilsættes til blandingen, de migrerer gennem grafen og danner det midterste lag af en sandwich, med grafen svævende på toppen. Når nitrogenatomer tilsættes, sker der en kemisk reaktion, der omdanner gallium og nitrogen til galliumnitrid.

"MEEG-processen producerer ikke kun ultratynde plader af galliumnitrid, men ændrer også materialets krystalstruktur, som kan føre til helt nye anvendelser inden for elektronik og optoelektronik, sagde Redwing.