¿Qué hace que algo sea un cristal? ¿Una piedra preciosa transparente y reluciente? No necesariamente, en el mundo microscópico. Cuando todos sus átomos están dispuestos de acuerdo con reglas matemáticas específicas, llamamos al material un solo cristal. Como el mundo natural tiene su simetría única, p.ej., copos de nieve o panales, el mundo atómico de los cristales está diseñado por sus propias reglas de estructura y simetría. Esta estructura material también tiene un efecto profundo en sus propiedades físicas. Específicamente, Los monocristales juegan un papel importante en la inducción de las propiedades intrínsecas de un material en toda su extensión. Ante el próximo final del proceso de miniaturización que el circuito integrado basado en silicio ha permitido hasta este momento, Se han dedicado grandes esfuerzos a encontrar un reemplazo monocristalino para el silicio.

En la búsqueda del transistor del futuro, materiales bidimensionales (2-D), especialmente el grafeno, han sido objeto de una intensa investigación en todo el mundo. Siendo delgado y flexible como resultado de ser solo una capa de átomos, esta versión 2-D de carbono incluso presenta una conductividad eléctrica y térmica sin precedentes. Sin embargo, Los esfuerzos de la última década para los transistores de grafeno se han visto obstaculizados por restricciones físicas:el grafeno no permite ningún control sobre el flujo de electricidad debido a la falta de banda prohibida. Por lo que entonces, ¿Qué pasa con otros materiales 2-D? Se ha informado que varios materiales 2-D interesantes tienen propiedades similares o incluso superiores. Todavía, la falta de comprensión en la creación de condiciones experimentales ideales para materiales bidimensionales de gran superficie ha limitado su tamaño máximo a unos pocos milímetros.

Los científicos del Centro de Material de Carbono Multidimensional (CMCM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han presentado un enfoque novedoso para sintetizar a gran escala, tamaño de oblea de silicio, materiales 2-D monocristalinos. El Prof. Feng Ding y la Sra. Leining Zhang en colaboración con sus colegas de la Universidad de Pekín, China y otras instituciones han encontrado un sustrato con un orden de simetría más bajo que el de un material 2-D que facilita la síntesis de materiales 2-D monocristalinos en un área grande. "Era fundamental encontrar el equilibrio adecuado de simetrías rotacionales entre un sustrato y un material 2-D, "señala el profesor Feng Ding, uno de los autores correspondientes de este estudio. Los investigadores sintetizaron con éxito monocristales de hBN de 10 x 10 cm ² mediante el uso de un nuevo sustrato:una superficie cercana a Cu (110) que tiene una simetría menor de (1) que hBN con (3).

¿Por qué importa la simetría? Simetría, en particular la simetría rotacional, describe cuántas veces una determinada forma se ajusta a sí misma durante una rotación completa de 360 ​​grados. El método más eficaz para sintetizar cristales individuales y de gran superficie de materiales 2-D es colocar capas sobre capas de cristales individuales pequeños y hacerlos crecer sobre un sustrato. En este crecimiento epitaxial, Es bastante difícil garantizar que todos los cristales individuales estén alineados en una sola dirección. La orientación de los cristales a menudo se ve afectada por el sustrato subyacente. Por análisis teórico, los científicos del IBS encontraron que una isla hBN (o un grupo de átomos de hBN que forman una única forma de triángulo) tiene dos alineaciones equivalentes en la superficie de Cu (111) que tiene una simetría muy alta de (6). "Era una opinión común que un sustrato con alta simetría puede conducir al crecimiento de materiales con una alta simetría. Parecía tener sentido intuitivamente, pero este estudio encontró que es incorrecto, "dice la Sra. Leining Zhang, el primer autor del estudio.

Previamente, Se han utilizado varios sustratos como Cu (111) para sintetizar hBN monocristalino en un área grande, pero ninguno de ellos tuvo éxito. Cada esfuerzo terminó con islas hBN alineadas en varias direcciones diferentes en las superficies. Convencidos de que la clave para lograr la alineación unidireccional es reducir la simetría del sustrato, los investigadores hicieron enormes esfuerzos para obtener superficies vecinas con una orientación Cu (110); una superficie obtenida cortando un Cu (110) con un pequeño ángulo de inclinación. Es como formar pasos físicos en Cu. Como una isla hBN tiende a posicionarse en paralelo al borde de cada escalón, obtiene solo una alineación preferida. El pequeño ángulo de inclinación también reduce la simetría de la superficie.

Los investigadores finalmente encontraron que una clase de superficies vecinas de Cu (110) se puede utilizar para apoyar el crecimiento de hBN con una alineación perfecta. En un sustrato cuidadosamente seleccionado con la simetría más baja (o la superficie se repetirá solo después de una rotación de 360 ​​grados), hBN tiene solo una dirección de alineación preferida. El equipo de investigación del profesor Kaihui Liu de la Universidad de Pekín ha desarrollado un método único para recocer una lámina de Cu grande, hasta 10 x 10 cm ² , en un solo cristal con la superficie vecina de Cu (110), y con eso, han logrado la síntesis de monocristales de hBN del mismo tamaño.

Además de la flexibilidad y el grosor ultrafino, Los materiales 2-D emergentes pueden presentar propiedades extraordinarias cuando se agrandan como monocristales. "Este estudio proporciona una guía general para la síntesis experimental de varios materiales 2-D. Además del hBN, muchos otros materiales 2-D podrían sintetizarse con sustratos monocristalinos de área grande con baja simetría, "dice el profesor Feng Ding. En particular, hBN es el aislante 2-D más representativo, que es diferente de los materiales conductores 2-D, como el grafeno, y semiconductores 2-D, como el disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ). The vertical stacking of various types of 2-D materials, such as hBN, graphene and MoS ₂ , would lead to a large number of new materials with exceptional properties and can be used for numerous applications, such as high-performance electronics, sensores, or wearable electronics."