Bornitrid af høj kvalitet dyrket ved atmosfærisk tryk

Graphene Flagship-forskere ved RWTH Aachen University, Tyskland og ONERA-CNRS, Frankrig, i samarbejde med forskere ved Peter Grunberg Instituttet, Tyskland, universitetet i Versailles, Frankrig, og Kansas State University, OS, har rapporteret et betydeligt skridt fremad i at dyrke monoisotopisk hexagonalt bornitrid ved atmosfærisk tryk til produktion af store og meget højkvalitetskrystaller.

Hexagonal bornitrid (hBN) er den usungne helt af grafenbaserede enheder. Meget fremskridt i løbet af det sidste årti blev muliggjort af erkendelsen af, at 'sandwich' af grafen mellem to hBN-krystaller kan forbedre kvaliteten og ydeevnen af ​​de resulterende enheder betydeligt. Dette fund banede vejen for en række spændende udviklinger, herunder opdagelser af eksotiske effekter såsom magisk vinkel superledning og proof-of-concept demonstrationer af sensorer med uovertruffen følsomhed.

Indtil nu, de mest udbredte hBN-krystaller kom fra National Institute of Material Science i Tsukuba, Japan. Disse krystaller dyrkes ved hjælp af en proces ved høje temperaturer (over 1500°C) og ekstremt høje tryk (over 40, 000 gange atmosfærisk tryk). "Det banebrydende bidrag fra de japanske forskere Taniguchi og Watanabe til forskning i grafen er uvurderligt, " begynder Christoph Stampfer fra Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Tyskland. "De forsyner hundredvis af laboratorier rundt om i verden med ultrarent hBN uden omkostninger. Uden deres bidrag, meget af det, vi laver i dag, ville ikke være muligt."

Imidlertid, denne hBN-vækstmetode har nogle begrænsninger. Blandt dem er den lille krystalstørrelse, som er begrænset til et par hundrede μm, og vækstprocessens kompleksitet. Dette er velegnet til grundforskning, men ud over dette, en metode med bedre skalerbarhed er nødvendig. Nu har Graphene Flagship-forskere testet hBN-krystaller, der er dyrket med en ny metode, der fungerer ved atmosfærisk tryk, udviklet af et team af forskere ledet af James Edgar ved Kansas State University, OS. Denne nye tilgang viser et stort løfte for mere krævende forskning og produktion.

"Jeg var meget begejstret, da Edgar foreslog, at vi skulle teste kvaliteten af ​​hans hBN, " siger Stampfer. "Hans vækstmetode kunne være velegnet til produktion i stor skala." Metoden til at dyrke hBN ved atmosfærisk tryk er faktisk meget enklere og billigere end tidligere alternativer og gør det muligt at kontrollere isotopkoncentrationen.

"De hBN-krystaller, vi modtog, var de største, jeg nogensinde har set, og de var alle baseret enten på isotopisk ren bor-10 eller bor-11", siger Jens Sonntag, en kandidatstuderende ved Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag testede først kvaliteten af ​​flagerne ved hjælp af konfokal Raman-spektroskopi. Ud over, Grafen flagskibspartnere i ONERA-CNRS, Frankrig, ledet af Annick Loiseau, udført avancerede luminescensmålinger. Begge målinger indikerede høj isotoprenhed og høj krystalkvalitet.

Imidlertid, det stærkeste bevis for den høje hBN-kvalitet kom fra transportmålinger udført på enheder indeholdende grafen klemt mellem monoisotopisk hBN. De viste ydeevne svarende til en avanceret enhed baseret på hBN fra Japan, med bedre ydeevne på nogle områder.

"Dette er en klar indikation af den ekstremt høje kvalitet af disse hBN-krystaller, " siger Stampfer. "Dette er gode nyheder for hele grafensamfundet, fordi det viser, at det er, i princippet, muligt at producere hBN af høj kvalitet i stor skala, bringer os et skridt tættere på rigtige applikationer baseret på højtydende grafenelektronik og optoelektronik. Desuden, muligheden for at kontrollere den isotopiske koncentration af krystallerne åbner døren til eksperimenter, der ikke var mulige før."

Mar García-Hernández, Arbejdspakkeleder for muliggørende materialer, tilføjer:"Fristående grafen, er det tyndeste materiale man kender, udviser et stort overfladeareal og, derfor, er ekstremt følsom over for omgivelserne, hvilken, på tur, resulterer i væsentlig forringelse af dets exceptionelle egenskaber. Imidlertid, der er en klar strategi for at undgå disse skadelige virkninger:indkapsling af grafen mellem to beskyttende lag."

García-Hernández fortsætter:"Når grafen er indkapslet af hBN, det afslører sine iboende egenskaber. Dette gør hBN til et væsentligt materiale til at integrere grafen i nuværende teknologier og demonstrerer vigtigheden af ​​at udtænke nye skalerbare syntetiske ruter til storskala hBN-produktion. Dette arbejde giver ikke kun en ny og enklere vej til at producere hBN-krystaller af høj kvalitet i stor skala, men det muliggør også produktion af monoisotopisk materiale, hvilket yderligere reducerer nedbrydningen af ​​grafen, når den er indkapslet af to lag."

Andrea C. Ferrari, Videnskabs- og teknologiofficer for Graphene Flagship og formand for dets ledelsespanel, tilføjer:"Dette er et godt eksempel på samarbejde mellem EU og USA, som vi fremmede via adskillige bilaterale workshops. At udtænke alternative tilgange til at producere hBN-krystaller af høj kvalitet er afgørende for at sætte os i stand til at udnytte de ultimative egenskaber af grafen i opto-elektronikapplikationer. Desuden, dette arbejde vil føre til betydelige fremskridt inden for grundforskning."