Em uma descoberta que pode acelerar a pesquisa em eletrônicos e dispositivos LED de próxima geração, uma equipe de pesquisa da Universidade de Michigan desenvolveu o primeiro método confiável e escalável para o cultivo de camadas únicas de nitreto de boro hexagonal em grafeno.
O processo, que pode produzir grandes folhas de hBN de alta qualidade com o processo de epitaxia de feixe molecular amplamente utilizado, é detalhado em um estudo em Materiais Avançados .

As estruturas de grafeno-hBN podem alimentar LEDs que geram luz UV profunda, o que é impossível nos LEDs de hoje, disse Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e ciência da computação da U-M e autor correspondente do estudo. Os LEDs de UV profundo podem gerar tamanho menor e maior eficiência em uma variedade de dispositivos, incluindo lasers e purificadores de ar.

“A tecnologia usada para gerar luz UV profunda hoje são as lâmpadas de mercúrio-xenônio, que são quentes, volumosas, ineficientes e contêm materiais tóxicos”, disse Mi. “Se pudermos gerar essa luz com LEDs, poderemos ver uma revolução na eficiência dos dispositivos UV semelhante ao que vimos quando as lâmpadas LED substituíram as incandescentes”.

O nitreto de boro hexagonal é o isolante mais fino do mundo, enquanto o grafeno é o mais fino de uma classe de materiais chamados semimetais, que possuem propriedades elétricas altamente maleáveis ​​e são importantes por seu papel em computadores e outros eletrônicos.

A união de hBN e grafeno em camadas suaves de espessura de um único átomo libera um tesouro de propriedades exóticas. Além dos LEDs de UV profundo, as estruturas de grafeno-hBN podem permitir dispositivos de computação quântica, eletrônicos e optoeletrônicos menores e mais eficientes e uma variedade de outras aplicações.

"Os pesquisadores conhecem as propriedades do hBN há anos, mas, no passado, a única maneira de obter as folhas finas necessárias para a pesquisa era esfoliá-las fisicamente de um cristal maior de nitreto de boro, que é trabalhoso e produz apenas pequenos flocos. do material", disse Mi. "Nosso processo pode produzir folhas finas em escala atômica de praticamente qualquer tamanho, o que abre muitas novas possibilidades de pesquisa empolgantes".

Como o grafeno e o hBN são tão finos, eles podem ser usados ​​para construir dispositivos eletrônicos muito menores e mais eficientes em termos de energia do que os disponíveis hoje. Estruturas em camadas de hBN e grafeno também podem exibir propriedades exóticas que podem armazenar informações em dispositivos de computação quântica, como a capacidade de alternar de um condutor para um isolante ou suportar spins de elétrons incomuns.

Embora os pesquisadores tenham tentado no passado sintetizar camadas finas de hBN usando métodos como pulverização catódica e deposição de vapor químico, eles lutaram para obter as camadas uniformes e ordenadas de átomos que são necessárias para se ligar corretamente à camada de grafeno.

"Para obter um produto útil, você precisa de linhas consistentes e ordenadas de átomos de hBN que se alinham com o grafeno por baixo, e os esforços anteriores não foram capazes de conseguir isso", disse Ping Wang, pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação. "Algumas das hBN caíram perfeitamente, mas muitas áreas estavam desordenadas e alinhadas aleatoriamente."

A equipe, composta por engenharia elétrica e ciência da computação, ciência e engenharia de materiais e pesquisadores de física, descobriu que fileiras organizadas de átomos de hBN são mais estáveis ​​em alta temperatura do que as indesejáveis ​​formações irregulares. Armado com esse conhecimento, Wang começou a experimentar com epitaxia de feixe molecular, um processo industrial que equivale a pulverizar átomos individuais em um substrato.

Wang usou um substrato de grafeno em terraços – essencialmente uma escada em escala atômica – e o aqueceu a cerca de 1600 graus Celsius antes de pulverizar em átomos individuais de boro e nitrogênio ativo. O resultado superou em muito as expectativas da equipe, formando costuras ordenadas de hBN nas bordas do grafeno, que se expandiram em largas fitas de material.

"Experimentar com grandes quantidades de hBN puro era um sonho distante por muitos anos, mas esta descoberta muda isso", disse Mi. "Este é um grande passo para a comercialização de estruturas quânticas 2D."

Este resultado não teria sido possível sem a colaboração de uma variedade de disciplinas. A teoria matemática que sustentou alguns dos trabalhos envolveu pesquisadores em engenharia elétrica e ciência da computação e ciência e engenharia de materiais, da U-M e da Universidade de Yale.

O laboratório de Mi desenvolveu o processo, sintetizou o material e caracterizou suas interações com a luz. Em seguida, cientistas e engenheiros de materiais da U-M e colaboradores da Ohio State University estudaram detalhadamente suas propriedades estruturais e elétricas. + Explorar mais

O alongamento altera as propriedades eletrônicas do grafeno