En nyupptäckt metod för att göra tvådimensionella material kan leda till nya och extraordinära egenskaper, särskilt i en klass av material som kallas nitrider, säger materialforskarna i Penn State som upptäckte processen. Denna första tillväxt någonsin av tvådimensionell galliumnitrid med grafeninkapsling kan leda till tillämpningar i djupa ultravioletta lasrar, nästa generations elektronik och sensorer.

"Dessa experimentella resultat öppnar upp nya vägar för forskning i 2D-material, säger Joshua Robinson, docent i materialvetenskap och teknik. "Detta arbete fokuserar på att göra 2D galliumnitrid, vilket aldrig har gjorts tidigare."

Galliumnitrid i sin tredimensionella form är känt för att vara en halvledare med bred bandgap. Halvledare med breda bandgap är viktiga för högfrekvens, högeffektapplikationer. När den odlas i sin tvådimensionella form, galliumnitrid omvandlas från ett material med brett bandgap till ett material med ultrabredt bandgap, effektivt tredubblar det energispektrum det kan fungera i, inklusive hela ultravioletta, synligt och infrarött spektrum. Detta arbete kommer att ha en särskild inverkan på elektrooptiska enheter som manipulerar och överför ljus.

"Detta är ett nytt sätt att tänka på att syntetisera 2D -material, sa Zak Al Balushi, en Ph.D. kandidat samråd av Robinson och Joan Redwing, professor i materialvetenskap och teknik och elektroteknik. Al Balushi är huvudförfattare på en tidning som visas online idag (29 augusti) i tidskriften Naturmaterial med titeln "Tvådimensionell galliumnitrid realiserad via grafeninkapsling."

"Vi har den här paletten av naturligt förekommande 2D-material, " fortsatte han. "Men för att expandera bortom detta, vi måste syntetisera material som inte finns i naturen. Vanligtvis, nya materialsystem är mycket instabila. Men vår tillväxtmetod, kallas Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), använder ett lager av grafen för att hjälpa tillväxten och stabilisera en robust struktur av 2D galliumnitrid."

Grafenen odlas på ett substrat av kiselkarbid, som är ett tekniskt viktigt substrat som används allmänt inom industrin för lysdioder, radar och telekommunikation. Vid uppvärmning, kislet på ytan sönderdelas och lämnar en kolrik yta som kan rekonstrueras till grafen. Fördelen med att framställa grafenen på detta sätt är att gränssnittet där de två materialen möts är perfekt jämnt.

Robinson tror att i fallet med tvådimensionell galliumnitrid, tillägget av ett lager grafen gör hela skillnaden. grafen, ett enatoms tjockt lager av kolatomer, är känd för sina anmärkningsvärda elektroniska egenskaper och styrka.

"Det är nyckeln, " säger Robinson. "Om du försöker odla dessa material på traditionellt sätt, på kiselkarbid, man bildar normalt bara öar. Den växer inte i fina lager på kiselkarbiden."

När galliumatomer tillsätts till blandningen, de vandrar genom grafenet och bildar mittskiktet i en smörgås, med grafen flytande ovanpå. När kväveatomer tillsätts, en kemisk reaktion sker som omvandlar gallium och kväve till galliumnitrid.

"MEEG-processen producerar inte bara ultratunna skivor av galliumnitrid utan förändrar också kristallstrukturen i materialet, vilket kan leda till helt nya tillämpningar inom elektronik och optoelektronik, sa Redwing.