Decodering van 2D-materiaalgroei: inzichten in wit grafeen openen deuren naar schonere energie en efficiëntere elektronica

Een doorbraak in het decoderen van het groeiproces van hexagonaal boornitride (hBN), een 2D-materiaal, en de nanostructuren ervan op metalen substraten zou de weg kunnen vrijmaken voor efficiëntere elektronica, schonere energieoplossingen en groenere chemische productie, zo blijkt uit nieuw onderzoek van de Universiteit van Surrey gepubliceerd in het journaal Klein.

Slechts één atoom dik, hBN – vaak de bijnaam ‘wit grafeen’ genoemd – is een ultradun, superveerkrachtig materiaal dat elektrische stromen blokkeert, bestand is tegen extreme temperaturen en bestand is tegen chemische schade. Zijn unieke veelzijdigheid maakt het tot een onschatbaar onderdeel in de geavanceerde elektronica, waar het kwetsbare microchips kan beschermen en de ontwikkeling van snellere, efficiëntere transistors mogelijk kan maken.

Nog een stap verder hebben onderzoekers ook de vorming aangetoond van nanoporeus hBN, een nieuw materiaal met gestructureerde holtes dat selectieve absorptie, geavanceerde katalyse en verbeterde functionaliteit mogelijk maakt, waardoor de potentiële milieutoepassingen ervan enorm worden uitgebreid. Dit omvat het detecteren en filteren van verontreinigende stoffen, maar ook het verbeteren van geavanceerde energiesystemen, waaronder waterstofopslag en elektrochemische katalysatoren voor brandstofcellen.

Dr. Marco Sacchi, hoofdauteur van de studie en universitair hoofddocent aan Surrey’s School of Chemistry and Chemical Engineering, zei: “Ons onderzoek werpt licht op de processen op atomaire schaal die de vorming van dit opmerkelijke materiaal en zijn nanostructuren bepalen. Door deze te begrijpen mechanismen kunnen we materialen met ongekende precisie ontwikkelen en hun eigenschappen optimaliseren voor een groot aantal revolutionaire technologieën.”

In samenwerking met de Oostenrijkse Technische Universiteit van Graz (TU Graz) combineerde het team – onder leiding van dr. Marco Sacchi, met het theoretische werk uitgevoerd door dr. Anthony Payne en dr. Neubi Xavier – dichtheidsfunctionaaltheorie en microkinetische modellering om de groeiproces van hBN uit borazinevoorlopers, waarbij belangrijke moleculaire processen worden onderzocht zoals diffusie, ontleding, adsorptie en desorptie, polymerisatie en dehydrogenering.

Deze aanpak stelde hen in staat een model op atomaire schaal te ontwikkelen waarmee het materiaal bij elke temperatuur kan groeien.

De inzichten uit de theoretische simulaties sluiten nauw aan bij experimentele observaties van de Graz-onderzoeksgroep, waardoor de weg wordt geëffend voor gecontroleerde, hoogwaardige productie van hBN met specifieke ontwerpen en functionaliteit.

Dr. Anton Tamtögl, hoofdonderzoeker van het project aan de TU Graz, zei: “Eerdere studies hebben niet al deze tussenproducten in beschouwing genomen, noch zo’n grote parameterruimte (temperatuur en deeltjesdichtheid). Wij geloven dat het nuttig zal zijn om chemische dampdepositie te begeleiden groei van hBN op andere metalen substraten, evenals de synthese van nanoporeuze of gefunctionaliseerde structuren.”