Att utveckla nya material från atomerna och uppåt går snabbare när en del av trial and error elimineras. En ny studie från Rice University och Montreal Polytechnic syftar till att göra det för hybrider av grafen och bornitrid.

Rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari och Farzaneh Shayeganfar, en postdoktor vid Montreal Polytechnic, designade datorsimuleringar som kombinerar grafen, den atomtjocka formen av kol, med antingen kol eller bornitrid nanorör.

Deras förhoppning är att sådana hybrider kan utnyttja de bästa aspekterna av deras ingående material. Att definiera egenskaperna hos olika kombinationer skulle förenkla utvecklingen för tillverkare som vill använda dessa exotiska material i nästa generations elektronik. Forskarna hittade inte bara elektroniska utan även magnetiska egenskaper som kunde vara användbara.

Deras resultat visas i journalen Kol .

Shahsavaris labb studerar material för att se hur de kan göras mer effektiva, funktionell och miljövänlig. De inkluderar material i makroskala som cement och keramik samt hybrider i nanoskala med unika egenskaper.

"Oavsett om det är på makro- eller mikroskala, om vi kan veta specifikt vad en hybrid kommer att göra innan någon gör sig besväret med att tillverka den, vi kan spara kostnader och tid och kanske möjliggöra nya fastigheter som inte är möjliga med någon av beståndsdelarna, sa Shahsavari.

Hans labbs datormodeller simulerar hur atomernas inneboende energier påverkar varandra när de binder till molekyler. För det nya arbetet, forskarna modellerade hybridstrukturer av grafen- och kolnanorör och av grafen- och bornitridnanorör.

"Vi ville undersöka och jämföra de elektroniska och potentiellt magnetiska egenskaperna hos olika korsningskonfigurationer, inklusive deras stabilitet, elektroniska bandluckor och laddningsöverföring, "Då designade vi tre olika nanostrukturer med olika korsningsgeometri."

Två var hybrider med grafenlager sömlöst sammanfogade med kolnanorör. Den andra var liknande men, för första gången, de modellerade en hybrid med bornitrid nanorör. Hur arken och rören slogs samman avgjorde hybridens egenskaper. De byggde också versioner med nanorör inklämda mellan grafenlager.

Grafen är en perfekt ledare när dess atomer är i linje som hexagonala ringar, men materialet blir ansträngt när det deformeras för att rymma nanorör i hybrider. Atomerna balanserar sina energier vid dessa korsningar genom att bilda fem-, sju- eller åttamannaringar. Dessa inducerar alla förändringar i hur elektricitet flödar över korsningarna, förvandla hybridmaterialet till en värdefull halvledare.

Forskarnas beräkningar gjorde att de kunde kartlägga ett antal effekter. Till exempel, det visade sig att hybridsystemets korsningar skapar pseudomagnetiska fält.

"Det pseudomagnetiska fältet på grund av spänning rapporterades tidigare för grafen, men inte dessa hybridbornitrid- och kolnanostrukturer där belastning är inneboende i systemet, sade Shahsavari. Han noterade att effekten kan vara användbar i spintroniska och nanotransistortillämpningar.

"Det pseudomagnetiska fältet får laddningsbärare i hybriden att cirkulera som under påverkan av ett pålagt externt magnetfält, sa han. Alltså, med tanke på den exceptionella flexibiliteten, styrka och värmeledningsförmåga hos hybridkol- och bornitridsystem, Vi föreslår att det pseudomagnetiska fältet kan vara ett gångbart sätt att kontrollera den elektroniska strukturen hos nya material."

Alla effekter fungerar som en färdplan för nanoteknikapplikationer, sa Shahsavari.

"Vi lägger grunden för en rad avstämbara hybridarkitekturer, speciellt för bornitrid, som är lika lovande som grafen men mycket mindre utforskat, ", sa han. "Forskare har studerat kolstrukturer i flera år, men utvecklingen av bornitrid och andra tvådimensionella material och deras olika kombinationer med varandra ger oss en rik uppsättning möjligheter för design av material med aldrig skådade egenskaper."

Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik.