En un descubrimiento que podría acelerar la investigación de la próxima generación de dispositivos electrónicos y LED, un equipo de investigación de la Universidad de Michigan ha desarrollado el primer método confiable y escalable para cultivar capas individuales de nitruro de boro hexagonal en grafeno.

El proceso, que puede producir grandes láminas de hBN de alta calidad con el proceso de epitaxia de haz molecular ampliamente utilizado, se detalla en un estudio en Advanced Materials .

Las estructuras de grafeno-hBN pueden alimentar LED que generan luz ultravioleta profunda, lo que es imposible en los LED de hoy en día, dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM y autor correspondiente del estudio. Los LED UV profundos podrían impulsar un tamaño más pequeño y una mayor eficiencia en una variedad de dispositivos, incluidos los láseres y los purificadores de aire.

"La tecnología utilizada para generar luz ultravioleta profunda en la actualidad son las lámparas de mercurio-xenón, que son calientes, voluminosas, ineficientes y contienen materiales tóxicos", dijo Mi. "Si podemos generar esa luz con LED, podríamos ver una revolución en la eficiencia de los dispositivos UV similar a la que vimos cuando las bombillas de luz LED reemplazaron a las incandescentes".

El nitruro de boro hexagonal es el aislante más delgado del mundo, mientras que el grafeno es el más delgado de una clase de materiales llamados semimetales, que tienen propiedades eléctricas altamente maleables y son importantes por su papel en las computadoras y otros dispositivos electrónicos.

La unión de hBN y grafeno en capas suaves de un solo átomo de espesor libera un tesoro de propiedades exóticas. Además de los LED UV profundos, las estructuras de grafeno-hBN podrían habilitar dispositivos de computación cuántica, dispositivos electrónicos y optoelectrónicos más pequeños y eficientes y una variedad de otras aplicaciones.

"Los investigadores conocen las propiedades de hBN desde hace años, pero en el pasado, la única forma de obtener las láminas delgadas necesarias para la investigación era exfoliarlas físicamente a partir de un cristal de nitruro de boro más grande, que requiere mucha mano de obra y solo produce copos diminutos. del material", dijo Mi. "Nuestro proceso puede producir láminas delgadas a escala atómica de prácticamente cualquier tamaño, lo que abre muchas posibilidades de investigación nuevas y emocionantes".

Debido a que el grafeno y el hBN son tan delgados, se pueden usar para construir dispositivos electrónicos que son mucho más pequeños y más eficientes energéticamente que los disponibles en la actualidad. Las estructuras en capas de hBN y grafeno también pueden exhibir propiedades exóticas que podrían almacenar información en dispositivos de computación cuántica, como la capacidad de cambiar de un conductor a un aislante o admitir giros de electrones inusuales.

Si bien los investigadores intentaron en el pasado sintetizar capas delgadas de hBN utilizando métodos como la pulverización catódica y la deposición química de vapor, tuvieron dificultades para obtener las capas de átomos uniformes y ordenadas con precisión que se necesitan para unirse correctamente con la capa de grafeno.

"Para obtener un producto útil, necesita filas consistentes y ordenadas de átomos de hBN que se alineen con el grafeno debajo, y los esfuerzos anteriores no pudieron lograr eso", dijo Ping Wang, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática. "Algunos de los hBN bajaron perfectamente, pero muchas áreas estaban desordenadas y alineadas al azar".

El equipo, formado por investigadores de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, ciencia e ingeniería de materiales y física, descubrió que las filas ordenadas de átomos de hBN son más estables a altas temperaturas que las indeseables formaciones irregulares. Armado con ese conocimiento, Wang comenzó a experimentar con epitaxia de haz molecular, un proceso industrial que equivale a rociar átomos individuales sobre un sustrato.

Wang usó un sustrato de grafeno en terrazas, esencialmente una escalera a escala atómica, y lo calentó a alrededor de 1600 grados centígrados antes de rociar átomos individuales de boro y nitrógeno activo. El resultado superó con creces las expectativas del equipo, formando costuras ordenadas de hBN en los bordes escalonados del grafeno, que se expandieron en anchas cintas de material.

"Experimentar con grandes cantidades de hBN prístino fue un sueño lejano durante muchos años, pero este descubrimiento cambia eso", dijo Mi. "Este es un gran paso hacia la comercialización de estructuras cuánticas 2D".

Este resultado no hubiera sido posible sin la colaboración de una variedad de disciplinas. La teoría matemática que sustenta parte del trabajo involucró a investigadores en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y ciencia e ingeniería de materiales, de la U-M y la Universidad de Yale.

El laboratorio de Mi desarrolló el proceso, sintetizó el material y caracterizó sus interacciones con la luz. Luego, científicos e ingenieros de materiales de la U-M y colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio estudiaron en detalle sus propiedades estructurales y eléctricas. + Explora más

El estiramiento cambia las propiedades electrónicas del grafeno