Fluor giver hvid grafen nye kræfter:Forskere forvandler almindelig isolator til en magnetisk halvleder

Lidt fluor gør en isolerende keramik, kendt som hvid grafen, til en halvleder med bred bånd med magnetiske egenskaber. Rice University-forskere sagde, at det kunne gøre det unikke materiale velegnet til elektronik i ekstreme miljøer.

Et proof-of-concept-papir fra Rice-forskere demonstrerer en måde at omdanne to-dimensionel hexagonal bornitrid (h-BN) - også kendt som hvid grafen - fra en isolator til en halvleder. Magnetismen, de sagde, er en uventet bonus.

Fordi det atomare tynde materiale er en enestående varmeleder, forskerne foreslog, at det kan være nyttigt til elektronik i højtemperaturapplikationer, måske endda som magnetiske hukommelsesenheder.

Opdagelsen vises i denne uge i Videnskabens fremskridt .

"Bornitrid er en stabil isolator og kommercielt meget anvendelig som en beskyttende belægning, selv inden for kosmetik, fordi det absorberer ultraviolet lys, "sagde rismaterialeforsker Pulickel Ajayan, hvis laboratorium ledede undersøgelsen. "Der har været en stor indsats for at forsøge at ændre dens elektroniske struktur, men vi troede ikke, det kunne blive både en halvleder og et magnetisk materiale.

"Så dette er noget helt andet; ingen har set denne form for adfærd i bornitrid før, " han sagde.

Forskerne fandt ud af, at tilsætning af fluor til h-BN introducerede defekter i dets atomare matrix, der reducerede båndgabet nok til at gøre det til en halvleder. Båndgabet bestemmer den elektriske ledningsevne af et materiale.

"Vi så, at forskellen falder ved omkring 5 procent fluorering, " sagde Rice postdoc-forsker og medforfatter Chandra Sekhar Tiwary. Kløften bliver mindre med yderligere fluorering, men kun til et punkt. "Styring af den præcise fluorering er noget, vi skal arbejde med. Vi kan få intervaller, men vi har ikke perfekt kontrol endnu. Fordi materialet er atomtyndt, et atom mindre eller mere ændrer sig en del.

"I det næste sæt eksperimenter, vi vil lære at indstille det præcist, atom for atom, " han sagde.

De fastslog, at spænding påført af invaderende fluoratomer ændrede "spin" af elektroner i nitrogenatomerne og påvirkede deres magnetiske momenter, den spøgelsesagtige kvalitet, der bestemmer, hvordan et atom vil reagere på et magnetfelt som et usynligt, nanoskala kompas.

"Vi ser vinkelorienterede spin, som er meget utraditionelle for 2D-materialer, "sagde Rice -kandidatstuderende og hovedforfatter Sruthi Radhakrishnan. I stedet for at tilpasse sig ferromagneter eller annullere hinanden, spindene er tilfældigt vinklede, giver det flade materiale tilfældige lommer af netmagnetisme. Disse ferromagnet- eller anti-ferromagnetlommer kan eksistere i den samme farveprøve af h-BN, hvilket gør dem til "frustrerede magneter" med konkurrerende domæner.

Forskerne sagde, at deres enkle, skalerbar metode kan potentielt anvendes til andre 2-D materialer. "At lave nye materialer gennem nanoengineering er præcis, hvad vores gruppe handler om, "Sagde Ajayan.

Co-authors of the paper are graduate students Carlos de los Reyes and Zehua Jin, chemistry lecturer Lawrence Alemany, postdoctoral researcher Vidya Kochat and Angel Martí, an associate professor of chemistry, of bioengineering and of materials science and nanoengineering, all of Rice; Valery Khabashesku of Rice and the Baker Hughes Center for Technology Innovation, Houston; Parambath Sudeep of Rice and the University of Toronto; Deya Das, Atanu Samanta and Rice alumnus Abhishek Singh of the Indian Institute of Science, Bangalore; Liangzi Deng and Ching-Wu Chu of the University of Houston; Thomas Weldeghiorghis of Louisiana State University and Ajit Roy of the Air Force Research Laboratories at Wright-Patterson Air Force Base.

Ajayan is chair of Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering and a professor of chemistry.