Investigadores insignia de grafeno en la Universidad RWTH Aachen, Alemania y ONERA-CNRS, Francia, en colaboración con investigadores del Instituto Peter Grunberg, Alemania, la Universidad de Versalles, Francia, y la Universidad Estatal de Kansas, NOSOTROS, han informado de un avance significativo en el cultivo de nitruro de boro hexagonal monoisotópico a presión atmosférica para la producción de cristales grandes y de muy alta calidad.

El nitruro de boro hexagonal (hBN) es el héroe olvidado de los dispositivos basados ​​en grafeno. Gran parte del progreso durante la última década fue posible al darse cuenta de que el grafeno 'intercalado' entre dos cristales de hBN puede mejorar significativamente la calidad y el rendimiento de los dispositivos resultantes. Este hallazgo allanó el camino a una serie de desarrollos interesantes, incluidos los descubrimientos de efectos exóticos como la superconductividad de ángulo mágico y demostraciones de prueba de concepto de sensores con una sensibilidad inigualable.

Hasta ahora, los cristales de hBN más utilizados provienen del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón. Estos cristales se cultivan mediante un proceso a altas temperaturas (más de 1500 ° C) y presiones extremadamente altas (más de 40, 000 veces la presión atmosférica). "La contribución pionera de los investigadores japoneses Taniguchi y Watanabe a la investigación del grafeno es invaluable, "comienza Christoph Stampfer de Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University, Alemania. "Proporcionan a cientos de laboratorios de todo el mundo hBN ultrapuro sin cargo. Sin su contribución, mucho de lo que estamos haciendo hoy no sería posible ".

Sin embargo, este método de crecimiento de hBN tiene algunas limitaciones. Entre ellos se encuentra el pequeño tamaño de cristal, que está limitado a unos pocos cientos de μm, y la complejidad del proceso de crecimiento. Esto es adecuado para la investigación fundamental, pero más allá de esto, se necesita un método con mejor escalabilidad. Ahora, los investigadores de Graphene Flagship probaron cristales de hBN cultivados con una nueva metodología que funciona a presión atmosférica, desarrollado por un equipo de investigadores dirigido por James Edgar en la Universidad Estatal de Kansas, NOSOTROS. Este nuevo enfoque es muy prometedor para la investigación y la producción más exigentes.

"Estaba muy emocionado cuando Edgar propuso que probáramos la calidad de su hBN, ", dice Stampfer." Su método de crecimiento podría ser adecuado para la producción a gran escala. "El método para cultivar hBN a presión atmosférica es de hecho mucho más simple y barato que las alternativas anteriores y permite controlar la concentración isotópica.

"Los cristales de hBN que recibimos fueron los más grandes que he visto, y todos se basaban en boro-10 isotópicamente puro o boro-11 ", dice Jens Sonntag, estudiante de posgrado en Graphene Flagship Partner RWTH Aachen University. Sonntag probó la calidad de las escamas primero utilizando espectroscopía confocal Raman. Además, Socios insignia de Graphene en ONERA-CNRS, Francia, dirigido por Annick Loiseau, llevó a cabo mediciones de luminiscencia avanzadas. Ambas mediciones indicaron una alta pureza de isótopos y una alta calidad de cristal.

Sin embargo, la evidencia más sólida de la alta calidad de hBN provino de las mediciones de transporte realizadas en dispositivos que contienen grafeno intercalado entre hBN monoisotópico. Mostraron un rendimiento equivalente a un dispositivo de última generación basado en hBN de Japón, con mejor desempeño en algunas áreas.

"Esta es una clara indicación de la altísima calidad de estos cristales de hBN, "dice Stampfer." Esta es una gran noticia para toda la comunidad del grafeno, porque demuestra que lo es, en principio, posible producir hBN de alta calidad a gran escala, acercándonos un paso más a aplicaciones reales basadas en electrónica de grafeno y optoelectrónica de alto rendimiento. Es más, la posibilidad de controlar la concentración isotópica de los cristales abre la puerta a experimentos que antes no eran posibles ".

Mar García-Hernández, Líder del paquete de trabajo para materiales habilitadores, añade:"Grafeno independiente, siendo el material más fino conocido, exhibe una gran superficie y, por lo tanto, es extremadamente sensible al entorno que lo rodea, cuales, Sucesivamente, da como resultado una degradación sustancial de sus propiedades excepcionales. Sin embargo, hay una estrategia clara para evitar estos efectos deletéreos:encapsular el grafeno entre dos capas protectoras ".

García-Hernández continúa:"Cuando el grafeno es encapsulado por hBN, revela sus propiedades intrínsecas. Esto convierte al hBN en un material esencial para integrar el grafeno en las tecnologías actuales y demuestra la importancia de idear nuevas rutas sintéticas escalables para la producción de hBN a gran escala. Este trabajo no solo proporciona un camino nuevo y más simple para producir cristales de hBN de alta calidad a gran escala, pero también permite la producción de material monoisotópico, lo que reduce aún más la degradación del grafeno cuando se encapsula en dos capas ".

Andrea C. Ferrari, Oficial de ciencia y tecnología de Graphene Flagship y presidente de su panel de administración, añade:"Este es un buen ejemplo de colaboración entre la UE y los EE. UU., que impulsamos a través de numerosos talleres bilaterales. Idear enfoques alternativos para producir cristales de hBN de alta calidad es crucial para permitirnos explotar las propiedades últimas del grafeno en aplicaciones optoelectrónicas. Es más, este trabajo conducirá a un progreso significativo en la investigación fundamental ".