(Phys.org) —Graphene har bländat forskare, ända sedan upptäckten för mer än ett decennium sedan, med dess oöverträffade elektroniska egenskaper, dess styrka och dess låga vikt. Men ett länge eftersökt mål har visat sig svårfångat:hur man konstruerar till grafen en egenskap som kallas ett bandgap, vilket skulle vara nödvändigt för att använda materialet för att tillverka transistorer och andra elektroniska enheter.

Nu, nya rön av forskare vid MIT är ett stort steg mot att göra grafen med denna eftertraktade egenskap. Arbetet kan också leda till revideringar av några teoretiska förutsägelser inom grafenfysik.

Den nya tekniken innebär att man placerar ett ark grafen – ett kolbaserat material vars struktur bara är en atom tjock – ovanpå hexagonal bornitrid, ett annat enatomtjockt material med liknande egenskaper. Det resulterande materialet delar grafens fantastiska förmåga att leda elektroner, samtidigt som man lägger till det bandgap som är nödvändigt för att bilda transistorer och andra halvledarenheter.

Arbetet beskrivs i en artikel i tidskriften Vetenskap medförfattare av Pablo Jarillo-Herrero, Mitsui karriärutveckling biträdande professor i fysik vid MIT, Professor i fysik Ray Ashoori, och 10 andra.

"Genom att kombinera två material, " Jarillo-Herrero säger, "vi skapade ett hybridmaterial som har andra egenskaper än någon av de två."

Grafen är en extremt bra ledare av elektroner, medan bornitrid är en bra isolator, blockerar passagen av elektroner. "Vi gjorde en högkvalitativ halvledare genom att sätta ihop dem, " förklarar Jarillo-Herrero. Halvledare, som kan växla mellan ledande och isolerande tillstånd, är grunden för all modern elektronik.

För att få hybridmaterialet att fungera, forskarna var tvungna att anpassa sig, med nästan perfektion, de två materialens atomgitter, som båda består av en serie hexagoner. Storleken på hexagonerna (känd som gitterkonstanten) i de två materialen är nästan densamma, men inte riktigt:De i bornitrid är 1,8 procent större. Så även om det är möjligt att rada upp hexagonerna nästan perfekt på ett ställe, över ett större område går mönstret in och ur register.

Vid denna tidpunkt, forskarna säger att de måste lita på slumpen för att få vinkelinriktningen för de önskade elektroniska egenskaperna i den resulterande stapeln. Dock, justeringen visar sig vara korrekt ungefär en gång av 15, de säger.

"Kvaliteterna hos bornitrid blöder över i grafenet, säger Ashoori. Men det som är mest "spektakulärt, " han lägger till, är att egenskaperna hos den resulterande halvledaren kan "justeras" genom att bara vrida ett ark lätt i förhållande till det andra, möjliggör ett spektrum av material med olika elektroniska egenskaper.

Andra har gjort grafen till en halvledare genom att etsa arken till smala band, Ashoori säger, men ett sådant tillvägagångssätt försämrar grafens elektriska egenskaper avsevärt. Däremot den nya metoden verkar inte ge någon sådan nedbrytning.

Bandgapet som skapats hittills i materialet är mindre än vad som behövs för praktiska elektroniska enheter; att hitta sätt att öka den kommer att kräva ytterligare arbete, säger forskarna.

"Om ... ett stort bandgap kunde konstrueras, det kan ha tillämpningar inom all digital elektronik, " säger Jarillo-Herrero. Men även på sin nuvarande nivå, han lägger till, detta tillvägagångssätt skulle kunna tillämpas på vissa optoelektroniska applikationer, såsom fotodetektorer.

Resultaten "överraskade oss glatt, "Ashoori säger, och kommer att kräva viss förklaring av teoretiker. På grund av skillnaden i gitterkonstanter för de två materialen, forskarna hade förutspått att hybridens egenskaper skulle variera från plats till plats. Istället, de hittade en konstant, och oväntat stor, bandgap över hela ytan.

Dessutom, Jarillo-Herrero säger, storleken på förändringen i elektriska egenskaper som produceras genom att sätta de två materialen tillsammans "är mycket större än vad teorin förutspår."

MIT-teamet observerade också ett intressant nytt fysiskt fenomen. När den utsätts för ett magnetfält, materialet uppvisar fraktala egenskaper - känt som ett Hofstadter fjärils energispektrum - som beskrevs för decennier sedan av teoretiker, men trodde omöjligt i den verkliga världen. Det pågår intensiv forskning inom detta område; två andra forskargrupper rapporterar också om dessa Hofstadter-fjärilseffekter denna vecka i tidskriften Natur . (se:graphene-butterflies.html" target="_blank"> phys.org/news/2013-05-61387688 … 95e-butterflies.html och phys.org/news287824835.html )