Um método recém-descoberto para fazer materiais bidimensionais pode levar a propriedades novas e extraordinárias, particularmente em uma classe de materiais chamados nitretos, dizem os cientistas de materiais da Penn State que descobriram o processo. Este primeiro crescimento de nitreto de gálio bidimensional usando encapsulamento de grafeno pode levar a aplicações em lasers ultravioleta profundos, eletrônicos e sensores de última geração.

"Esses resultados experimentais abrem novos caminhos de pesquisa em materiais 2D, "diz Joshua Robinson, professor associado de ciência e engenharia de materiais. "Este trabalho se concentra em fazer nitreto de gálio 2D, que nunca foi feito antes. "

O nitreto de gálio em sua forma tridimensional é conhecido por ser um semicondutor de largo bandgap. Semicondutores de largura de banda larga são importantes para alta frequência, aplicações de alta potência. Quando cultivado em sua forma bidimensional, o nitreto de gálio se transforma de um material bandgap largo para um material bandgap ultralargo, efetivamente triplicando o espectro de energia em que pode operar, incluindo todo o ultravioleta, espectro visível e infravermelho. Este trabalho terá um impacto particular em dispositivos eletro-ópticos que manipulam e transmitem luz.

"Esta é uma nova maneira de pensar sobre a síntese de materiais 2D, "disse Zak Al Balushi, um Ph.D. candidato co-aconselhado por Robinson e Joan Redwing, professor de ciência e engenharia de materiais e engenharia elétrica. Al Balushi é o autor principal de um artigo que aparece online hoje (29 de agosto) no jornal Materiais da Natureza intitulado "Nitreto de gálio bidimensional realizado via encapsulamento de grafeno."

"Temos essa paleta de materiais 2D de ocorrência natural, "ele continuou." Mas para expandir além disso, temos que sintetizar materiais que não existem na natureza. Tipicamente, novos sistemas de materiais são altamente instáveis. Mas nosso método de crescimento, chamado Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), usa uma camada de grafeno para ajudar no crescimento e estabilizar uma estrutura robusta de nitreto de gálio 2D. "

O grafeno é cultivado em um substrato de carboneto de silício, que é um substrato tecnologicamente importante usado amplamente na indústria de LEDs, radar e telecomunicações. Quando aquecido, o silício na superfície se decompõe e deixa uma superfície rica em carbono que pode ser reconstruída em grafeno. A vantagem de produzir o grafeno dessa forma é que a interface onde os dois materiais se encontram é perfeitamente lisa.

Robinson acredita que, no caso do nitreto de gálio bidimensional, a adição de uma camada de grafeno faz toda a diferença. Grafeno, uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo, é conhecido por suas notáveis ​​propriedades eletrônicas e força.

"É a chave, "Robinson diz." Se você tentar cultivar esses materiais da maneira tradicional, em carboneto de silício, você normalmente apenas forma ilhas. Não cresce em boas camadas no carboneto de silício. "

Quando átomos de gálio são adicionados à mistura, eles migram através do grafeno e formam a camada intermediária de um sanduíche, com grafeno flutuando no topo. Quando átomos de nitrogênio são adicionados, ocorre uma reação química que transforma o gálio e o nitrogênio em nitreto de gálio.

"O processo MEEG não só produz folhas ultrafinas de nitreto de gálio, mas também altera a estrutura cristalina do material, que pode levar a aplicações inteiramente novas em eletrônica e optoeletrônica, "disse Redwing.