Ett nytt atomtjockt, platt material som skulle kunna lyfta upp undermaterialet grafen och avancera digital teknik har upptäckts av en fysiker vid University of Kentucky som arbetar i samarbete med forskare från Daimler i Tyskland och Institutet för elektronisk struktur och laser (IESL) i Grekland.

Anmäld i Fysisk granskning B, det nya materialet består av kisel, bor och kväve — allt lätt, billiga och jordnära element — och är extremt stabil, en egenskap många andra grafenalternativ saknar.

"Vi använde simuleringar för att se om bindningarna skulle brytas eller sönderfalla — det hände inte, " sade Madhu Menon, en fysiker vid UK Centre for Computational Sciences. "Vi värmde materialet upp till 1, 000 grader Celsius och det gick fortfarande inte sönder."

Genom att använda toppmoderna teoretiska beräkningar, Menon och hans medarbetare Ernst Richter från Daimler och en före detta brittiska institutionen för fysik och astronomi efter doktorsexamen, och Antonis Andriotis från IESL, har visat att genom att kombinera de tre elementen, det är möjligt att få en en atom tjock, verkligt 2D-material med egenskaper som kan finjusteras för att passa olika applikationer utöver vad som är möjligt med grafen.

Medan grafen sägs vara världens starkaste material med många unika egenskaper, det har en nackdel:det är inte en halvledare och gör därför en besviken i den digitala teknikindustrin. Efterföljande sökning efter nya 2D-halvledande material ledde forskare till en ny klass av treskiktsmaterial som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDC). TMDC är mestadels halvledare och kan göras till digitala processorer med större effektivitet än allt möjligt med kisel. Dock, dessa är mycket skrymmande än grafen och gjorda av material som inte nödvändigtvis är jordnära och billiga.

Söker efter ett bättre alternativ som är lätt, jorden riklig, billig och en halvledare, teamet ledd av Menon studerade olika kombinationer av grundämnen från första och andra raden i det periodiska systemet.

Även om det finns många sätt att kombinera kisel, bor och kväve för att bilda plana strukturer, endast ett specifikt arrangemang av dessa element resulterade i en stabil struktur. Atomerna i den nya strukturen är ordnade i ett hexagonalt mönster som i grafen, men det är där likheten slutar.

De tre elementen som bildar det nya materialet har alla olika storlekar; bindningarna som förbinder atomerna är också olika. Som ett resultat, sidorna av hexagonerna som bildas av dessa atomer är olika, till skillnad från grafen. Det nya materialet är metalliskt, men kan lätt göras halvledande genom att fästa andra element ovanpå kiselatomerna.

Närvaron av kisel erbjuder också den spännande möjligheten till sömlös integration med den nuvarande kiselbaserade teknologin, tillåta industrin att långsamt gå bort från kisel istället för att eliminera det helt, allt på en gång.

"Vi vet att kiselbaserad teknik når sin gräns eftersom vi sätter ihop fler och fler komponenter och gör elektroniska processorer mer och mer kompakta, Menon sa. "Men vi vet att detta inte kan fortsätta i all oändlighet; vi behöver smartare material."

Vidare, förutom att skapa ett elektroniskt bandgap, fastsättning av andra element kan också användas för att selektivt ändra bandgapvärdena – en viktig fördel jämfört med grafen för solenergiomvandling och elektronikapplikationer.

Andra grafenliknande material har föreslagits men saknar styrkorna hos det material som upptäckts av Menon och hans team. silicen, till exempel, har inte en plan yta och bildar så småningom en 3D-yta. Andra material är mycket instabila, vissa bara för några timmar som mest.

Huvuddelen av de teoretiska beräkningarna som krävdes utfördes på datorerna vid UK Centre for Computational Sciences med samarbetspartners Richter och Andriotis som fick direkt åtkomst till dem via snabba nätverk. Nu arbetar teamet i nära samarbete med ett team som leds av Mahendra Sunkara från Conn Center for Renewable Energy Research vid University of Louisville för att skapa materialet i labbet. Conn Center-teamet har haft nära samarbeten med Menon kring ett antal nya materialsystem där de har kunnat testa hans teori med experiment för ett antal av flera nya solmaterial.

"Vi är mycket angelägna om att detta ska göras i labbet, Menon sa. "Det ultimata testet av någon teori är experimentell verifiering, så ju förr desto bättre!"

Några av fastigheterna, såsom förmågan att bilda olika typer av nanorör, diskuteras i tidningen men Menon förväntar sig att mer kommer att dyka upp med ytterligare studier.

"Denna upptäckt öppnar ett nytt kapitel inom materialvetenskap genom att erbjuda nya möjligheter för forskare att utforska funktionell flexibilitet och nya egenskaper för nya tillämpningar, " sa han. "Vi kan förvänta oss några överraskningar."