Lite fluor förvandlar en isolerande keramik som kallas vit grafen till en halvledare med breda bandgap med magnetiska egenskaper. Rice Universitys forskare sa att det skulle kunna göra det unika materialet lämpligt för elektronik i extrema miljöer.

Ett proof-of-concept-dokument från Rice-forskare visar ett sätt att förvandla tvådimensionell hexagonal bornitrid (h-BN) - aka vit grafen - från en isolator till en halvledare. Magnetismen, de sa, är en oväntad bonus.

Eftersom det atomärt tunna materialet är en exceptionell värmeledare, forskarna föreslog att det kan vara användbart för elektronik i högtemperaturapplikationer, kanske till och med som magnetiska minnesenheter.

Upptäckten dyker upp denna vecka i Vetenskapens framsteg .

"Bornitrid är en stabil isolator och kommersiellt mycket användbar som en skyddande beläggning, även inom kosmetika, eftersom det absorberar ultraviolett ljus, " sade rismaterialforskaren Pulickel Ajayan, vars labb ledde studien. "Det har gjorts mycket ansträngning för att försöka ändra dess elektroniska struktur, men vi trodde inte att det kunde bli både en halvledare och ett magnetiskt material.

"Så det här är något helt annat; ingen har sett den här typen av beteende i bornitrid tidigare, " han sa.

Forskarna fann att tillsats av fluor till h-BN introducerade defekter i dess atomära matris som minskade bandgapet tillräckligt för att göra det till en halvledare. Bandgapet bestämmer den elektriska ledningsförmågan hos ett material.

"Vi såg att gapet minskar vid cirka 5 procent fluorering, " sa Rice postdoktor och medförfattare Chandra Sekhar Tiwary. Klyftan blir mindre med ytterligare fluorering, men bara till en viss punkt. "Att kontrollera den exakta fluoreringen är något vi behöver arbeta med. Vi kan få intervall men vi har inte perfekt kontroll än. Eftersom materialet är tunt atomärt, en atom mindre eller mer förändras ganska mycket.

"I nästa uppsättning experiment, vi vill lära oss att ställa in den exakt, atom för atom, " han sa.

De fastställde att spänningar som applicerades av invaderande fluoratomer förändrade elektronernas "spin" i kväveatomerna och påverkade deras magnetiska moment, den spöklika egenskapen som avgör hur en atom kommer att reagera på ett magnetfält som en osynlig, nanoskala kompass.

"Vi ser vinkelorienterade snurr, som är mycket okonventionella för 2D-material, " sa Rice doktorand och huvudförfattare Sruthi Radhakrishnan. Istället för att anpassa sig för att bilda ferromagneter eller ta bort varandra, snurren är slumpmässigt vinklade, ger det platta materialet slumpmässiga fickor av nätmagnetism. Dessa ferromagnet- eller anti-ferromagnetfickor kan finnas i samma swatch av h-BN, vilket gör dem till "frustrerade magneter" med konkurrerande domäner.

Forskarna sa att deras enkla, skalbar metod kan potentiellt tillämpas på andra 2D-material. "Att tillverka nya material genom nanoteknik är precis vad vår grupp handlar om, " sa Ajayan.

Medförfattare till uppsatsen är doktorander Carlos de los Reyes och Zehua Jin, kemiföreläsare Lawrence Alemany, postdoktor Vidya Kochat och Angel Martí, en docent i kemi, of bioengineering and of materials science and nanoengineering, all of Rice; Valery Khabashesku of Rice and the Baker Hughes Center for Technology Innovation, Houston; Parambath Sudeep of Rice and the University of Toronto; Deya Das, Atanu Samanta and Rice alumnus Abhishek Singh of the Indian Institute of Science, Bangalore; Liangzi Deng and Ching-Wu Chu of the University of Houston; Thomas Weldeghiorghis of Louisiana State University and Ajit Roy of the Air Force Research Laboratories at Wright-Patterson Air Force Base.

Ajayan is chair of Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering and a professor of chemistry.