Rice University-forskare har hittat ett sätt att sy grafen och hexagonal bornitrid (h-BN) till ett tvådimensionellt täcke som erbjuder nya vägar för utforskning för materialforskare.

Tekniken har implikationer för tillämpningen av grafenmaterial i mikroelektronik som skalar långt under de begränsningar för kisel som bestäms av Moores lag.

Ny forskning från labbet av Pulickel Ajayan, Rice's Benjamin M. och Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik och materialvetenskap och i kemi, visar ett sätt att uppnå fin kontroll i skapandet av en sådan hybrid, 2D-strukturer.

Lager av h-BN en enstaka atom tjocka har samma gitterstruktur som grafen, men elektriskt är materialen i motsatta ändar av spektrumet:h-BN är en isolator, medan grafen, den enatomiga formen av kol, är mycket ledande. Möjligheten att sätta ihop dem till ett enda gitter kan leda till en mängd olika 2D-strukturer med elektriska egenskaper som sträcker sig från metallisk ledare till halvledare till isolator.

Eftersom grafen är en ledare och h-BN är en isolator, proportionen mellan den ena och den andra avgör hur väl detta nya material leder elektroner. Lijie Ci och Li Song, båda postdoktorala forskare i Ajayans labb, fann att genom att lägga ner domäner av h-BN och kol via kemisk ångdeposition (CVD), de kunde kontrollera förhållandet mellan material i filmen som blev resultatet.

Ci och Song är huvudförfattare till en artikel om verket som dök upp i onlineupplagan av Naturmaterial Denna vecka.

Ajayan sa att upptäckten är spännande för en materialforskare.

"Ur ett grafenperspektiv, det ger oss nu en möjlighet att utforska bandgap-teknik i tvådimensionella skiktade system, " sa han. "Hela fasdiagrammet för bor, kol och kväve är fascinerande, outforskad och erbjuder en fantastisk lekplats för materialvetare.

"Detta är bara det första exemplet som visar att dessa strukturer verkligen kan odlas i 2-D som grafen, "Ajayan sa. "Jag tror att hela det nya området kommer att vara spännande för grundläggande fysik och elektrooptiska tillämpningar."

Grafen har varit föremål för intensiva studier de senaste åren för dess höga konduktivitet och möjligheten att manipulera det på skalor som går långt under de teoretiska gränserna för kiselkretsar. Ett lager av grafen är ett hexagonalt gitter av kolatomer. I bulk, det kallas grafit, grejer av blyertspenna. Grafen isolerades först 2004 av brittiska forskare som använde tejp för att dra enatomslager från grafit.

"Grafen är ett väldigt hett material just nu, sa Song, som hade slagit sig ihop med Ci för att undersöka dopning av grafen med olika material för att bestämma dess halvledande egenskaper. Att veta att både bor och kväve redan hade använts i dopning av bulkgrafit, de bestämde sig för att försöka tillaga den via CVD på en kopparbas.

Strukturellt sett h-BN är detsamma som grafen, ett hexagonformat galler av kolatomer som ser ut som kycklingnät. Ci och Song upptäckte att genom CVD, grafen och h-BN slogs samman till ett enda atomark, med pooler av h-BN som bryter upp kolmatrisen.

Den kritiska faktorn för elektroniskt material är bandgapet, som måste trimmas på ett kontrollerat sätt för applikationer. Grafen är ett nollgap material, men sätt har föreslagits för att skräddarsy detta gap genom att mönstra det till nanoskala remsor och dopa det med andra element.

Ci och Song tog ett annat tillvägagångssätt genom CVD, kontrollera förhållandet mellan kol och h-BN över en stor, användbart sortiment.

Det är fortfarande utmanande att producera enkla lager av hybridmaterialet, eftersom de flesta labb-odlade filmer innehåller två eller tre lager. Forskarna kan inte heller ännu kontrollera placeringen av h-BN-pooler i ett enda ark eller rotationsvinklarna mellan lagren - men de jobbar på det.

Faktiskt, att ha flera lager av hybriden i olika vinklar skapar ännu fler möjligheter, sa de. "För ren grafen, denna rotation kommer att påverka de elektroniska egenskaperna, " sa Ci, som flyttade med Ajayans labb från Rensselaer Polytechnic Institute till Houston 2007.

Forskarna överväger att tillverka dessa material på wafers i industriell skala. Grafenark som är flera centimeter breda har redan syntetiserats i andra labb, sa Ci. Och eftersom grafen kan mönstras litografiskt och skäras i former, det nya materialet har stor potential att tillverkas till användbara enheter med kontrollerbara elektriska egenskaper.