Graphene Flagship -forskare vid RWTH Aachen University, Tyskland och ONERA-CNRS, Frankrike, i samarbete med forskare vid Peter Grunberg Institute, Tyskland, universitetet i Versailles, Frankrike, och Kansas State University, USA, har rapporterat ett betydande steg framåt för att odla monoisotopisk sexkantig bornitrid vid atmosfärstryck för produktion av stora och mycket högkvalitativa kristaller.

Sexkantig bornitrid (hBN) är den osunga hjälten för grafenbaserade enheter. Mycket framsteg under det senaste decenniet möjliggjordes av insikten att 'sandwiching' av grafen mellan två hBN -kristaller kan avsevärt förbättra kvaliteten och prestandan hos de resulterande enheterna. Detta fynd banade väg för en rad spännande utvecklingar, inklusive upptäckten av exotiska effekter som magisk vinkel supraledning och proof-of-concept demonstrationer av sensorer med oöverträffad känslighet.

Tills nu, de mest använda hBN -kristallerna kom från National Institute of Material Science i Tsukuba, Japan. Dessa kristaller odlas med en process vid höga temperaturer (över 1500 ° C) och extremt höga tryck (över 40, 000 gånger atmosfärstryck). "De banbrytande bidragen från de japanska forskarna Taniguchi och Watanabe till grafenforskning är ovärderliga, "börjar Christoph Stampfer från Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Tyskland. "De förser hundratals laboratorier runt om i världen med ultrarent hBN utan kostnad. Utan deras bidrag, mycket av det vi gör idag skulle inte vara möjligt. "

Dock, denna hBN -tillväxtmetod har vissa begränsningar. Bland dem finns den lilla kristallstorleken, som är begränsad till några hundra μm, och tillväxtprocessens komplexitet. Detta är lämpligt för grundforskning, men bortom detta, en metod med bättre skalbarhet behövs. Nu testade Graphene Flagship -forskare hBN -kristaller som odlats med en ny metod som fungerar vid atmosfärstryck, utvecklat av ett team av forskare som leds av James Edgar vid Kansas State University, USA. Detta nya tillvägagångssätt visar stort löfte för mer krävande forskning och produktion.

"Jag var väldigt upphetsad när Edgar föreslog att vi skulle testa kvaliteten på hans hBN, "säger Stampfer." Hans tillväxtmetod kan vara lämplig för storskalig produktion. "Metoden för att odla hBN vid atmosfärstryck är verkligen mycket enklare och billigare än tidigare alternativ och gör det möjligt att kontrollera isotopkoncentrationen.

"HBN -kristallerna vi fick var de största jag någonsin har sett, och de var alla baserade antingen på isotopiskt rent bor-10 eller bor-11, säger Jens Sonntag, en doktorand vid Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag testade flingornas kvalitet först med hjälp av konfokal Raman -spektroskopi. Dessutom, Graphene Flagship-partners i ONERA-CNRS, Frankrike, ledd av Annick Loiseau, utförde avancerade luminescensmätningar. Båda mätningarna indikerade hög isotoprenhet och hög kristallkvalitet.

Dock, det starkaste beviset för den höga hBN -kvaliteten kom från transportmätningar som utfördes på enheter som innehöll grafen inklämt mellan monoisotopiskt hBN. De visade motsvarande prestanda till en toppmodern enhet baserad på hBN från Japan, med bättre prestanda på vissa områden.

"Detta är en tydlig indikation på den extremt höga kvaliteten på dessa hBN -kristaller, "säger Stampfer." Det här är goda nyheter för hela grafensamhället, för det visar att det är, i princip, möjligt att producera högkvalitativt hBN i stor skala, tar oss ett steg närmare riktiga applikationer baserade på högpresterande grafenelektronik och optoelektronik. Vidare, möjligheten att kontrollera isotopkoncentrationen av kristallerna öppnar dörren till experiment som inte var möjliga tidigare. "

Mar García-Hernández, Arbetspaketledare för aktivering av material, tillägger:"Fristående grafen, är det tunnaste materialet man känner till, uppvisar en stor yta och, därför, är extremt känslig för sin omgivande miljö, som, i tur och ordning, resulterar i betydande försämring av dess exceptionella egenskaper. Dock, det finns en tydlig strategi för att undvika dessa skadliga effekter:inkapsling av grafen mellan två skyddande lager. "

García-Hernández fortsätter:"När grafen inkapslas av hBN, den avslöjar dess inneboende egenskaper. Detta gör hBN till ett viktigt material för att integrera grafen i nuvarande teknik och visar vikten av att ta fram nya skalbara syntetiska vägar för storskalig hBN-produktion. Detta arbete ger inte bara en ny och enklare väg att producera högkvalitativa hBN-kristaller i stor skala, men det möjliggör också produktion av monoisotopiskt material, vilket ytterligare minskar nedbrytningen av grafen vid inkapsling av två lager. "

Andrea C. Ferrari, Vetenskaps- och teknikansvarig för Graphen Flagship och ordförande för dess ledningspanel, tillägger:"Detta är ett trevligt exempel på samarbete mellan EU och USA, som vi främjade via många bilaterala workshops. Att ta fram alternativa metoder för att producera högkvalitativa hBN-kristaller är avgörande för att vi ska kunna utnyttja grafens ultimata egenskaper i opto-elektronikapplikationer. Vidare, detta arbete kommer att leda till betydande framsteg inom grundforskning. "