I en upptäckt som skulle kunna påskynda forskningen om nästa generations elektronik och LED-enheter, har en forskargrupp från University of Michigan utvecklat den första pålitliga, skalbara metoden för att odla enstaka lager av hexagonal bornitrid på grafen.

Processen, som kan producera stora ark av högkvalitativt hBN med den allmänt använda molekylära strålepitaxiprocessen, beskrivs i detalj i en studie i Advanced Materials .

Grafen-hBN-strukturer kan driva lysdioder som genererar djupt UV-ljus, vilket är omöjligt i dagens lysdioder, säger Zetian Mi, U-M-professor i elektroteknik och datavetenskap och motsvarande författare till studien. Djupa UV-lysdioder kan driva mindre storlek och större effektivitet i en mängd olika enheter, inklusive lasrar och luftrenare.

"Tekniken som används för att generera djupt UV-ljus idag är kvicksilver-xenonlampor, som är varma, skrymmande, ineffektiva och innehåller giftiga material," sa Mi. "Om vi ​​kan generera det ljuset med lysdioder skulle vi kunna se en effektivitetsrevolution i UV-enheter liknande det vi såg när LED-lampor ersatte glödlampor."

Hexagonal bornitrid är världens tunnaste isolator medan grafen är den tunnaste av en klass av material som kallas halvmetaller, som har mycket formbara elektriska egenskaper och är viktiga för sin roll i datorer och annan elektronik.

Att binda samman hBN och grafen i släta, enatomtjocka lager släpper lös en skattkammare av exotiska egenskaper. Förutom djupa UV-lysdioder kan grafen-hBN-strukturer möjliggöra kvantberäkningsenheter, mindre och effektivare elektronik och optoelektronik och en mängd andra applikationer.

"Forskare har känt till egenskaperna hos hBN i flera år, men tidigare var det enda sättet att få de tunna arken som behövs för forskning att fysiskt exfoliera dem från en större bornitridkristall, som är arbetskrävande och bara ger små flingor av materialet," sa Mi. "Vår process kan odla tunna ark i atomskala av i princip vilken storlek som helst, vilket öppnar många spännande nya forskningsmöjligheter."

Eftersom grafen och hBN är så tunna kan de användas för att bygga elektroniska enheter som är mycket mindre och mer energieffektiva än de som finns tillgängliga idag. Skiktade strukturer av hBN och grafen kan också uppvisa exotiska egenskaper som kan lagra information i kvantberäkningsenheter, som förmågan att byta från en ledare till en isolator eller stödja ovanliga elektronsnurr.

Medan forskare tidigare har försökt syntetisera tunna lager av hBN med metoder som sputtering och kemisk ångavsättning, kämpade de för att få de jämna, exakt ordnade lager av atomer som behövs för att binda korrekt till grafenlagret.

"För att få en användbar produkt behöver du konsekventa, ordnade rader av hBN-atomer som är i linje med grafenet under, och tidigare ansträngningar kunde inte uppnå det", säger Ping Wang, en postdoktor i elektroteknik och datavetenskap. "En del av hBN gick ner prydligt, men många områden var oordnade och slumpmässigt anpassade."

Teamet, som består av elektroteknik och datavetenskap, materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och fysikforskare, upptäckte att snygga rader av hBN-atomer är mer stabila vid höga temperaturer än de oönskade taggiga formationerna. Beväpnad med den kunskapen började Wang experimentera med molekylär strålepitaxi, en industriell process som går ut på att spruta enskilda atomer på ett substrat.

Wang använde ett terrasserat grafensubstrat - i huvudsak en trappa i atomskala - och värmde upp den till cirka 1600 grader Celsius innan han sprutade på individuella bor och aktiva kväveatomer. Resultatet överträffade vida lagets förväntningar och bildade prydligt ordnade sömmar av hBN på grafenens terrasserade kanter, som expanderade till breda band av material.

"Att experimentera med stora mängder orörd hBN var en avlägsen dröm i många år, men den här upptäckten förändrar det," sa Mi. "Detta är ett stort steg mot kommersialiseringen av 2D-kvantstrukturer."

Detta resultat hade inte varit möjligt utan samarbete från en mängd olika discipliner. Den matematiska teorin som låg till grund för en del av arbetet involverade forskare inom elektroteknik och datavetenskap och materialvetenskap och teknik, från U-M och Yale University.

Mi:s labb utvecklade processen, syntetiserade materialet och karakteriserade dess interaktioner med ljus. Sedan studerade materialvetare och ingenjörer vid U-M och medarbetare vid Ohio State University dess strukturella och elektriska egenskaper i detalj. + Utforska vidare

Stretching ändrar grafenens elektroniska egenskaper