Forskare från TU Delft i Nederländerna, i samarbete med ett team vid University of Cambridge (U.K.), har hittat ett sätt att skapa och rengöra små mekaniska sensorer på ett skalbart sätt. De skapade dessa sensorer genom att hänga upp ett tvådimensionellt ark av hexagonal bornitrid (h-BN), eller "vit grafen" över små hål i ett kiselsubstrat. Denna innovation kan leda till extremt små gas- och trycksensorer för framtida elektronik.

Hexagonal bornitrid (h-BN) är ett intressant material med en bikakestruktur som liknar grafit. Men medan grafit leder elektricitet, medan h-BN fungerar som en isolator. Den här egenskapen gör h-BN populär som ett high-end smörjmedel, speciellt i industriella tillämpningar där elektrisk ledningsförmåga är oönskad. Eftersom h-BN har den extra fördelen att vara kemiskt och termiskt stabilare än grafit, den används också i tuffa miljöer som rymd, till exempel, i djupa ultravioletta applikationer.

Klibbiga grejer

Medan lager av det tvådimensionella materialet grafen kan exfolieras från grafit med tejp, att skapa enkla lager av h-BN är mycket svårare. Anledningen till detta är att lagren som utgör h-BN "klibbar" till varandra - och andra material - mycket starkare än lager av grafen gör. Således, inte många forskare har kunnat studera egenskaperna hos h-BN som ett 2-D-material förrän nu. "Det finns bara två eller tre institutioner i världen som kan producera singel, tvådimensionella lager av vit grafit, och University of Cambridge är en av dem, " sa huvudförfattaren Santiago J. Cartamil-Bueno. "Detta projekt är en framgång tack vare vårt effektiva samarbete med dem."

Med hjälp av en teknik som kallas kemisk ångavsättning, forskare vid University of Cambridge odlade ett enatomtjockt ark av h-BN, eller 'vit grafen, " på en bit järnfolie. De skickade den sedan till TU Delft i Nederländerna. Där, genom en rad steg, forskarna från Delft överförde arket av transparent vit grafen till ett kiselsubstrat som innehöll små cirkulära håligheter. Genom att göra så, de skapade mikroskopiska "trummor". Dessa trummor fungerar som mekaniska resonatorer och kan användas som infinitesimala gas- eller trycksensorer, till exempel i mobiltelefoner.

Rengöring av trummorna

Samtidigt som att skapa h-BN-trummor var en betydande utmaning i sig, detta projekt utgjorde ett annat, ännu större utmaning. Som ett resultat av stegen som behövs för att överföra det monoatomiska arket till kiselsubstratet, trummorna var förorenade med ett antal polymerer. Vanliga föroreningar som denna är oönskade eftersom de förändrar sensorernas egenskaper. Resultatet är att alla sensorer kan bete sig lite olika. "För att överträffa de normala sensorerna på marknaden, dock, det är viktigt att alla 2D-sensorer beter sig på exakt samma sätt, " förklarar Cartamil-Bueno.

Delft-forskarna hittade en lösning:att använda ozongas, de lyckades rengöra trummorna. Den aggressiva gasen avlägsnade alla organiska polymerer. Dock, spår av PMMA, en polymer med oorganiska komponenter, lämnades kvar på resonatorerna. "Lyckligtvis, detta problem kan lösas genom att endast använda organiska substrat medan arket av vit grafit överförs till hålrummen, säger Cartamil-Bueno. Alltså, Delft-forskarna har tillhandahållit principbevis för tillverkning av otroligt små sensorer för framtida elektronik.