Zeshoeken van hexagonaal boornitride vormen samen een 2D-isolator voor elektronische apparaten van de volgende generatie

Een methode die een nuttig isolatiemateriaal kan laten groeien tot films van uitzonderlijk hoge kwaliteit die slechts één atoom dik zijn en geschikt zijn voor productie op industriële schaal, is ontwikkeld door een internationaal team onder leiding van Xixiang Zhang van KAUST.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

Het materiaal, genaamd hexagonaal boornitride (hBN), wordt gebruikt in halfgeleiderapparaten en kan ook de prestaties verbeteren van andere tweedimensionale (2D) materialen zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s).

Onderzoekers kunnen 2D-materialen combineren om kleine elektronische componenten te bouwen voor kwantumcomputers, elektronische communicatie en andere toepassingen. Hoewel de meeste 2D-materialen elektriciteit geleiden, is hBN een van de weinige die isoleert, waardoor het een onmisbaar onderdeel is in veel van deze apparaten.

In het laboratorium worden hBN-vlokken vaak uit bulkmonsters van het materiaal gepeld, een tijdrovende en beperkte aanpak die niet geschikt is voor massaproductie. Als alternatief kan een industrieel proces dat chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd, hBN produceren door een voorloper, ammoniakboraan genaamd, te ontleden.

Borium- en stikstofatomen die vrijkomen uit de voorloper vormen vervolgens driehoekige eilanden van hBN op een koperfolie, en deze eilanden worden geleidelijk groter totdat ze samenkomen in een continu honingraatrooster.

Het team heeft dit proces verbeterd door in plaats daarvan hBN uit zeshoekige eilanden te laten groeien, waardoor een film van hogere kwaliteit ontstaat. “Zeshoekige eilanden hebben minder gebreken, waardoor de uiteindelijke film uniformer en betrouwbaarder wordt”, zegt Zhang. De methode is afhankelijk van het toevoegen van een spoor zuurstof tijdens het groeiproces.

Terwijl hBN-eilanden op koper groeien, kunnen hun randen zigzaglijnen zijn van boor- of stikstofatomen. Op de driehoekige eilanden zijn alle drie de randen voorzien van stikstofatomen. De zeshoekige eilanden gevormd door de nieuwe methode hebben daarentegen drie stikstofranden en drie boorranden.

De theoretische berekeningen van de onderzoekers laten zien dat stikstofranden doorgaans energetisch stabieler zijn dan boorranden, wat verklaart waarom driehoekige eilanden worden gevormd tijdens CVD. Maar zuurstof interageert met de eilanden en de koperfolie op een manier die de stikstof- en boorranden vrijwel identieke stabiliteiten geeft. Dit betekent dat de twee soorten randen in hetzelfde tempo kunnen groeien, waardoor zeshoekige eilanden ontstaan.

De onderzoekers gebruikten technieken zoals atoomkrachtmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie om de eilanden en films te bestuderen die door hun methode werden gevormd. Ze ontdekten dat het eenkristalfilms van hBN creëert die vrij zijn van gaatjes, lage defectdichtheden vertonen, een uniforme dikte hebben en uitstekende isolerende eigenschappen bezitten.

“Dit maakt het vooral geschikt voor hoogwaardige elektronische apparaten van 2D-materiaal en biedt verbeterde robuustheid voor nano-apparaten”, zegt Bo Tian, ​​die deel uitmaakte van het KAUST-team en nu is gevestigd aan de Nanyang Technological University in Singapore.

Het team gebruikte de methode om een ​​hBN-film van 25 x 70 mm te laten groeien, en grotere gebieden zouden mogelijk moeten zijn. “Het proces wordt nu beperkt door het CVD-systeem of de substraatgrootte, dus het is geschikt voor industriële productie”, zegt Tian.

De onderzoekers bestuderen nu het mechanisme van CVD-groei van hBN in meer detail, om de kwaliteit verder te verbeteren en de omvang van de films die ze kunnen produceren te vergroten.