Avance de grafeno-hBN para impulsar nuevos LED y computación cuántica

Avance de grafeno-hBN para impulsar nuevos LED y computación cuántica


14 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) En un descubrimiento que podría acelerar la investigación de dispositivos LED y electrónicos de próxima generación, 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 capas de hBN de alta calidad utilizando el proceso de epitaxia de haz molecular ampliamente utilizado, se describe en detalle en un estudio en Materiales avanzados («Síntesis escalable de nitruro de boro hexagonal monocapa en grafeno con renormalización de banda prohibida gigante»).

Las estructuras de grafeno-hBN pueden alimentar LED que producen luz ultravioleta profunda, lo que es imposible con 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 generar dimensiones más pequeñas y una mayor eficiencia en una variedad de dispositivos, incluidos los láseres y los purificadores de aire.

«La tecnología utilizada hoy en día para generar luz ultravioleta profunda son las lámparas de mercurio-xenón, que son calientes, voluminosas, ineficientes y contienen materiales tóxicos. Si podemos generar esta luz con LED, podemos». revolución de eficiencia en equipos UV similar a lo que vimos cuando las bombillas LED reemplazaron a las bombillas 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 dúctiles y son importantes por su papel en las computadoras y otros dispositivos electrónicos.

La unión de hBN y grafeno en capas suaves de un átomo de espesor libera un tesoro de propiedades exóticas. Además de los LED UV profundos, las estructuras de grafeno-hBN podrían permitir la computación cuántica, la electrónica y la optoelectrónica más pequeñas y eficientes, y una variedad de otras aplicaciones.

«Los investigadores conocen las propiedades del hBN desde hace años, pero en el pasado, la única forma de obtener las películas delgadas necesarias para la investigación era separarlas físicamente de un cristal de nitruro de boro más grande, que requiere mucha mano de obra y produce solo pequeñas escamas del material. .» , dijo Mi. «Nuestro proceso puede producir películas atómicamente delgadas de prácticamente cualquier tamaño, lo que abre muchas oportunidades de investigación nuevas e interesantes».

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 pasar de un conductor a un aislante o soportar giros de electrones inusuales.

Si bien en el pasado los investigadores han intentado sintetizar capas delgadas de hBN utilizando métodos como la pulverización catódica y la deposición química de vapor, se han esforzado por obtener las capas atómicas uniformes y ordenadas con precisión necesarias para la unión adecuada con la lámina de grafeno.

«Para obtener un producto útil, se necesitan filas consistentes y ordenadas de átomos de hBN que se alineen con el grafeno subyacente, y los esfuerzos anteriores no lograron lograrlo», 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 científicos eléctricos e informáticos, científicos e ingenieros de materiales y físicos, descubrió que las filas ordenadas de átomos de hBN son más estables a altas temperaturas que las formaciones irregulares no deseadas. Armado con este conocimiento, Wang comenzó a experimentar con epitaxia de haz molecular, un proceso industrial en el que se rocían átomos individuales sobre un sustrato.

Wang usó un sustrato de grafeno en terrazas, esencialmente una escalera a escala atómica, y lo calentó a unos 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 las terrazas de los bordes de grafeno que se expandieron en anchas cintas de tela.

«Experimentar con grandes cantidades de hBN puro 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 cooperación de diferentes disciplinas. La teoría matemática que subyace en parte del trabajo involucró a investigadores en ingeniería eléctrica e informática y ciencia e ingeniería de materiales de la UM y la Universidad de Yale.

El laboratorio de Mi desarrolló el proceso, sintetizó el material y caracterizó sus interacciones con la luz. Los científicos e ingenieros de materiales de la UM y colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio estudiaron en detalle sus propiedades estructurales y eléctricas.



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