Los investigadores de la Universidad de Rice han encontrado una manera de unir grafeno y nitruro de boro hexagonal (h-BN) en una colcha bidimensional que ofrece nuevos caminos de exploración para los científicos de materiales.

La técnica tiene implicaciones para la aplicación de materiales de grafeno en microelectrónica que escalan muy por debajo de las limitaciones del silicio determinadas por la Ley de Moore.

Nueva investigación del laboratorio de Pulickel Ajayan, Los profesores Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson de Rice en Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales y de Química, demuestra una forma de lograr un control fino en la creación de dicho híbrido, Estructuras 2-D.

Las capas de h-BN de un solo átomo de espesor tienen la misma estructura reticular que el grafeno, pero eléctricamente los materiales están en extremos opuestos del espectro:h-BN es un aislante, mientras que el grafeno, la forma de carbono de capa de un solo átomo, es altamente conductivo. La capacidad de ensamblarlos en una sola celosía podría conducir a una rica variedad de estructuras 2-D con propiedades eléctricas que van desde el conductor metálico hasta el semiconductor y el aislante.

Debido a que el grafeno es un conductor y el h-BN es un aislante, la proporción de uno a otro determina qué tan bien este nuevo material conduce los electrones. Lijie Ci y Li Song, ambos científicos de investigación postdoctorales en el laboratorio de Ajayan, encontró que al eliminar dominios de h-BN y carbono a través de la deposición química de vapor (CVD), pudieron controlar la proporción de materiales en la película resultante.

Ci y Song son los autores principales de un artículo sobre el trabajo que apareció en la edición en línea de Materiales de la naturaleza esta semana.

Ajayan dijo que el descubrimiento es emocionante para un científico de materiales.

"Desde la perspectiva del grafeno, ahora nos da la oportunidad de explorar la ingeniería de banda prohibida en sistemas estratificados bidimensionales, ", dijo." Todo el diagrama de fases del boro, el carbono y el nitrógeno son fascinantes, inexplorado y ofrece un gran patio de recreo para los científicos de materiales.

"Esta es solo la primera instancia que muestra que estas estructuras se pueden cultivar en 2-D como el grafeno, ", Dijo Ajayan." Creo que todo el nuevo campo será emocionante para la física básica y las aplicaciones electroópticas ".

El grafeno ha sido objeto de intensos estudios en los últimos años por su alta conductividad y la posibilidad de manipularlo en escalas que van muy por debajo de los límites teóricos de los circuitos de silicio. Una capa de grafeno es una red hexagonal de átomos de carbono. Al por mayor, se llama grafito, la materia de la mina de un lápiz. El grafeno fue aislado por primera vez en 2004 por científicos británicos que utilizaron cinta adhesiva para extraer capas de un solo átomo del grafito.

"El grafeno es un material muy caliente en este momento, "dijo Song, que se había asociado con Ci para investigar el dopaje del grafeno con varios materiales para determinar sus propiedades semiconductoras. Sabiendo que tanto el boro como el nitrógeno ya se habían utilizado en el dopaje de grafito a granel, decidieron intentar cocinarlo a través de CVD sobre una base de cobre.

Estructuralmente h-BN es lo mismo que el grafeno, una red de átomos de carbono en forma de hexágono que parece una tela metálica. Ci y Song descubrieron que a través de CVD, el grafeno y el h-BN se fusionaron en una sola hoja atómica, con grupos de h-BN que rompen la matriz de carbono.

El factor crítico para los materiales electrónicos es la banda prohibida, que debe ajustarse de manera controlada para las aplicaciones. El grafeno es un material sin espacios, pero se han propuesto formas de adaptar esta brecha modelándola en tiras a nanoescala y dopandola con otros elementos.

Ci y Song adoptaron un enfoque diferente a través de CVD, controlando la proporción de carbono a h-BN sobre un gran, rango útil.

Sigue siendo un desafío producir capas individuales del material híbrido, ya que la mayoría de las películas cultivadas en laboratorio contienen dos o tres capas. Los investigadores tampoco pueden controlar aún la ubicación de las piscinas de h-BN en una sola hoja o los ángulos de rotación entre capas, pero están trabajando en ello.

De hecho, Tener múltiples capas del híbrido en varios ángulos crea aún más posibilidades, ellos dijeron. "Para el grafeno puro, esta rotación afectará las propiedades electrónicas, "dijo Ci, quien se mudó con el laboratorio de Ajayan del Instituto Politécnico Rensselaer a Houston en 2007.

Los investigadores están considerando producir estos materiales en obleas a escala industrial. En otros laboratorios ya se han sintetizado láminas de grafeno de varios centímetros de ancho, Dijo Ci. Y debido a que el grafeno se puede modelar litográficamente y cortar en formas, el nuevo material tiene un gran potencial para convertirse en dispositivos útiles con propiedades eléctricas controlables.