Открытие, которое может ускорить исследования в области электроники и светодиодных устройств следующего поколения, исследовательской группы Мичиганского университета разработало первый надежный, масштабируемый метод выращивания одиночных слоев гексагонального нитрида бора на графене.
Процесс, позволяющий производить большие листы высококачественного hBN с помощью широко используемого процесса молекулярно-лучевой эпитаксии, подробно описан в исследовании Advanced Materials.
Структуры графен-hBN могут питать светодиоды, которые генерируют глубокий ультрафиолетовый свет, что невозможно в современных светодиодах, сказал Зетиан Ми, профессор электротехники и информатики Университета штата Массачусетс и автор исследования. Светодиоды глубокого ультрафиолетового излучения могут уменьшить размер и повысить эффективность различных устройств, включая лазеры и очистители воздуха.
«Технология, используемая сегодня для получения глубокого УФ-излучения, - это ртутно-ксеноновые лампы, которые нагреваются, громоздки, неэффективны и содержат токсичные материалы», - сказал Ми. «Если бы мы могли генерировать этот свет с помощью светодиодов, мы могли бы увидеть революцию эффективности в УФ-устройствах, подобную той, что мы видели, когда светодиодные лампочки заменили лампы накаливания».
Гексагональный нитрид бора - самый тонкий изолятор в мире, а графен - самый тонкий из класса материалов, называемых полуметаллами, которые обладают очень пластичными электрическими свойствами и играют важную роль в компьютерах и другой электронике.
Соединение hBN и графена в гладкие слои толщиной в один атом раскрывает сокровищницу экзотических свойств. В дополнение к светодиодам глубокого УФ-излучения структуры графена-hBN могут использоваться для устройств квантовых вычислений, меньшей и более эффективной электроники и оптоэлектроники, а также для множества других приложений.
Исследователи знали о свойствах hBN в течение многих лет, но в прошлом единственным способом получить тонкие листы, необходимые для исследований, было физическое отслоение их от более крупного кристалла нитрида бора, что является трудоемким и дает только крошечные хлопья материала», - сказал Ми. «Наш процесс позволяет выращивать листы атомарной толщины практически любого размера, что открывает множество новых интересных исследовательских возможностей».
Поскольку графен и hBN очень тонкие, их можно использовать для создания электронных устройств, которые намного меньше и более энергоэффективны, чем те, которые доступны сегодня. Слоистые структуры hBN и графена также могут проявлять экзотические свойства, которые могут хранить информацию в квантовых вычислительных устройствах, например, способность переключаться с проводника на изолятор или поддерживать необычные электронные спины..
В то время как исследователи пытались в прошлом синтезировать тонкие слои hBN, используя такие методы, как распыление и химическое осаждение из паровой фазы, они изо всех сил пытались получить ровные, точно упорядоченные слои атомов, которые необходимы для правильной связи со слоем графена.
«Чтобы получить полезный продукт, вам нужны последовательные, упорядоченные ряды атомов hBN, которые выровнены с графеном под ним, а предыдущие попытки не смогли этого достичь», - сказал Пинг Ван, исследователь в области электротехники. и информатика. «Некоторые из hBN аккуратно упали, но многие области были беспорядочны и выровнены случайным образом».
Команда, состоящая из специалистов в области электротехники и информатики, материаловедения и инженерии, а также исследователей физики, обнаружила, что аккуратные ряды атомов hBN более стабильны при высокой температуре, чем нежелательные зубчатые образования. Вооружившись этими знаниями, Ван начал экспериментировать с молекулярно-лучевой эпитаксией - промышленным процессом, который сводится к распылению отдельных атомов на подложку.
Ванг использовал террасную графеновую подложку - по сути, лестницу атомного масштаба - и нагрел ее примерно до 1600 градусов по Цельсию перед распылением на отдельные атомы бора и активного азота. Результат намного превзошел ожидания команды: образовались аккуратно упорядоченные швы hBN на террасных краях графена, которые расширялись в широкие ленты материала.
«Эксперименты с большими количествами первозданного hBN были далекой мечтой в течение многих лет, но это открытие меняет это», - сказал Ми. «Это большой шаг к коммерциализации двумерных квантовых структур».
Этот результат был бы невозможен без сотрудничества представителей различных дисциплин. Математическая теория, которая легла в основу некоторых работ, включала исследователей в области электротехники, информатики, материаловедения и инженерии из Университета Мексики и Йельского университета..
Лаборатория Ми разработала процесс, синтезировала материал и охарактеризовала его взаимодействие со светом. Затем материаловеды и инженеры из UM и сотрудники из Университета штата Огайо подробно изучили его структурные и электрические свойства.
Эммануил Киупакис, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в UM, и Джей Гупта, профессор физики в OSU, также являются авторами статьи.
Исследование было поддержано Мичиганской инженерной инициативой Blue Sky, Военным исследовательским бюро, Национальным научным фондом, Министерством энергетики США и W. M. Фонд Кека.