Avanço de grafeno-hBN para alimentar novos LEDs, computação quântica

Em uma descoberta que pode acelerar a pesquisa para a próxima geração de dispositivos eletrônicos e LEDs, uma equipe de pesquisa da Universidade de Michigan desenvolveu o primeiro método confiável e escalável para o crescimento de camadas únicas de nitreto de boro hexagonal em grafeno.

O processo, que pode produzir grandes folhas de hBN de alta qualidade com o processo de epitaxia de feixe molecular amplamente utilizado, é detalhado em um estudo da Advanced Materials.

As estruturas de grafeno-hBN podem alimentar LEDs que geram luz ultravioleta profunda, o que é impossível nos LEDs de hoje, disse Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação da UM e autor correspondente do estudo. Os LEDs UV profundos podem gerar tamanho menor e maior eficiência em uma variedade de dispositivos, incluindo lasers e purificadores de ar.

“A tecnologia usada para gerar luz ultravioleta profunda hoje são as lâmpadas de mercúrio-xenônio, que são quentes, volumosas, ineficientes e contêm materiais tóxicos”, disse Mi. “Se pudermos gerar essa luz com LEDs, poderemos ver uma revolução na eficiência dos dispositivos UV semelhante ao que vimos quando as lâmpadas LED substituíram as incandescentes”.

O nitreto de boro hexagonal é o isolante mais fino do mundo, enquanto o grafeno é o mais fino de uma classe de materiais chamados semimetais, que possuem propriedades elétricas altamente maleáveis ​​e são importantes por seu papel em computadores e outros dispositivos eletrônicos.

A união de hBN e grafeno em camadas suaves de um átomo de espessura libera um tesouro de propriedades exóticas. Além dos LEDs UV profundos, as estruturas de grafeno-hBN podem permitir dispositivos de computação quântica menores e mais eficientes, dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos e uma variedade de outras aplicações.

“Os pesquisadores conhecem as propriedades do hBN há anos, mas no passado, a única maneira de obter os filmes finos necessários para a pesquisa era esfoliá-los fisicamente a partir de um cristal de nitreto de boro maior e trabalhoso. . do material”, disse Mi. “Nosso processo pode produzir filmes finos em escala atômica de praticamente qualquer tamanho, abrindo muitas possibilidades de pesquisa novas e empolgantes”.

Como o grafeno e o hBN são tão finos, eles podem ser usados ​​para construir dispositivos eletrônicos muito menores e com maior eficiência energética do que os disponíveis hoje. As estruturas em camadas de hBN e grafeno também podem exibir propriedades exóticas que podem armazenar informações em dispositivos de computação quântica, como a capacidade de mudar de um condutor para um isolante ou admitir spins de elétrons incomuns.

Embora os pesquisadores tenham tentado no passado sintetizar camadas finas de hBN usando métodos como pulverização catódica e deposição de vapor químico, eles lutaram para obter as camadas uniformes e ordenadas de átomos que são necessárias para se ligar adequadamente à camada de grafeno.

“Para obter um produto útil, você precisa de linhas consistentes e ordenadas de átomos de hBN que se alinham com o grafeno abaixo, e os esforços anteriores não conseguiram isso”, disse Ping Wang, pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computação. “Alguns dos hBNs foram perfeitamente reduzidos, mas muitas áreas foram aleatoriamente bagunçadas e alinhadas.”

A equipe, composta por pesquisadores de engenharia elétrica e ciência da computação, ciência e engenharia de materiais e física, descobriu que fileiras ordenadas de átomos de hBN são mais estáveis ​​em altas temperaturas do que formações irregulares indesejáveis. Armado com esse conhecimento, Wang começou a experimentar com epitaxia de feixe molecular, um processo industrial que equivale a borrifar átomos individuais em um substrato.

Wang usou um substrato de grafeno em terraço, essencialmente uma escada em escala atômica, e o aqueceu a cerca de 1.600 graus Celsius antes de pulverizar átomos individuais de boro e nitrogênio ativo. bordas, que se expandiam em largas fitas de material.

“Experimentar com grandes quantidades de hBN puro era um sonho distante por muitos anos, mas esta descoberta muda isso”, disse Mi. “Este é um grande passo para a comercialização de estruturas quânticas 2D.”

Este resultado não teria sido possível sem a colaboração de diversas disciplinas. A teoria matemática que sustenta alguns dos trabalhos envolveu pesquisadores em engenharia elétrica e ciência da computação e ciência e engenharia de materiais, da UM e da Universidade de Yale.

O laboratório de Mi desenvolveu o processo, sintetizou o material e caracterizou suas interações com a luz. Cientistas e engenheiros de materiais da UM e colaboradores da Ohio State University estudaram suas propriedades estruturais e elétricas em detalhes.

Emmanouil Kioupakis, professor associado de ciência e engenharia de materiais da UM, e Jay Gupta, professor de física da OSU, também são autores correspondentes do artigo.

A pesquisa foi apoiada pela Michigan Engineering Blue Sky Initiative, pelo Army Research Office, pela National Science Foundation, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela WM Keck Foundation.

Mais informação:

Leave a Comment