Graphene-hBN-gennembrud for at anspore til nye LED'er, kvanteberegning

I en opdagelse, der kunne fremskynde forskningen i næste generations elektronik og LED-enheder, har et forskerhold fra University of Michigan udviklet den første pålidelige, skalerbare metode til at dyrke enkeltlag af sekskantet bornitrid på grafen.

Processen, som kan producere store plader af højkvalitets hBN med den meget anvendte molekylærstråle-epitaksiproces, er beskrevet detaljeret i en undersøgelse i Advanced Materials .

Grafen-hBN-strukturer kan drive lysdioder, der genererer dybt UV-lys, hvilket er umuligt i nutidens lysdioder, sagde Zetian Mi, UM-professor i elektroteknik og datalogi og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. Deep-UV-LED'er kunne drive mindre størrelse og større effektivitet i en række forskellige enheder, herunder lasere og luftrensere.

"Teknologien, der bruges til at generere dybt UV-lys i dag, er kviksølv-xenon-lamper, som er varme, omfangsrige, ineffektive og indeholder giftige materialer," sagde Mi. "Hvis vi kan generere det lys med LED'er, kan vi se en effektivitetsrevolution i UV-enheder svarende til det, vi så, da LED-pærer erstattede glødelamper."

Hexagonal bornitrid er verdens tyndeste isolator, mens grafen er den tyndeste af en klasse af materialer kaldet halvmetaller, som har meget formbare elektriske egenskaber og er vigtige for deres rolle i computere og anden elektronik.

At binde hBN og grafen sammen i glatte, enkelt-atom-tykke lag frigiver en skattekiste af eksotiske egenskaber. Ud over dybe UV-LED'er kan grafen-hBN-strukturer muliggøre kvanteberegningsenheder, mindre og mere effektiv elektronik og optoelektronik og en række andre applikationer.

"Forskere har kendt til hBN's egenskaber i årevis, men tidligere var den eneste måde at få de tynde plader, der var nødvendige til forskning, ved fysisk at eksfoliere dem fra en større bornitridkrystal, som er arbejdskrævende og kun giver små flager af materialet," sagde Mi. "Vores proces kan dyrke tynde plader i atom-skala af stort set enhver størrelse, hvilket åbner en masse spændende nye forskningsmuligheder."

Fordi grafen og hBN er så tynde, kan de bruges til at bygge elektroniske enheder, der er meget mindre og mere energieffektive end dem, der er tilgængelige i dag. Lagdelte strukturer af hBN og grafen kan også udvise eksotiske egenskaber, der kunne lagre information i kvantecomputere, såsom evnen til at skifte fra en leder til en isolator eller understøtte usædvanlige elektronspin.

Mens forskere tidligere har forsøgt at syntetisere tynde lag af hBN ved hjælp af metoder som sputtering og kemisk dampaflejring, kæmpede de for at få de jævne, præcist ordnede lag af atomer, der er nødvendige for at binde korrekt til grafenlaget.

"For at få et nyttigt produkt har du brug for ensartede, ordnede rækker af hBN-atomer, der flugter med grafenet nedenunder, og tidligere bestræbelser var ikke i stand til at opnå det," sagde Ping Wang, en postdoc-forsker i elektroteknik og datalogi. "Nogle af hBN faldt pænt, men mange områder var uordnede og tilfældigt justeret."

Holdet, der består af elektroteknik og datalogi, materialevidenskab og ingeniørvidenskab og fysikforskere, opdagede, at pæne rækker af hBN-atomer er mere stabile ved høje temperaturer end de uønskede takkede formationer. Bevæbnet med den viden begyndte Wang at eksperimentere med molekylærstråleepitaxi, en industriel proces, der svarer til at sprøjte individuelle atomer på et substrat.

Wang brugte et terrasseret grafensubstrat - i det væsentlige en trappe i atomare skala - og opvarmede det til omkring 1600 grader Celsius, før det sprøjtede på individuelle bor og aktive nitrogenatomer. Resultatet overgik langt holdets forventninger og dannede pænt ordnede sømme af hBN på grafenens terrassekanter, som udvidede sig til brede bånd af materiale.

"At eksperimentere med store mængder uberørt hBN var en fjern drøm i mange år, men denne opdagelse ændrer det," sagde Mi. "Dette er et stort skridt i retning af kommercialisering af 2D kvantestrukturer."

Dette resultat ville ikke have været muligt uden samarbejde fra en række forskellige discipliner. Den matematiske teori, der lå til grund for noget af arbejdet, involverede forskere inden for elektroteknik og datalogi og materialevidenskab og teknik, fra U-M og Yale University.

Mi's laboratorium udviklede processen, syntetiserede materialet og karakteriserede dets interaktioner med lys. Derefter studerede materialeforskere og ingeniører ved U-M og samarbejdspartnere ved Ohio State University dets strukturelle og elektriske egenskaber i detaljer. + Udforsk yderligere

Udstrækning ændrer grafens elektroniske egenskaber