Glapheen: 2D hybride materiaal integreert grafeen en silicaglas voor elektronica van de volgende generatie

Enkele van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige technologieën komen in lagen slechts één atoom dik, zoals grafeen, een vel koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig rooster, gewaardeerd vanwege zijn uitzonderlijke sterkte en geleidbaarheid. Hoewel honderden van dergelijke materialen bestaan, is ze echt samengevoegd tot iets nieuws een uitdaging gebleven. De meeste inspanningen stapelen deze atoom-dunne vellen eenvoudigweg zoals een stapel kaarten, maar de lagen missen meestal een significante interactie tussen hen.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Rice University Materials -wetenschappers is erin geslaagd een echte 2D -hybride te creëren door twee fundamenteel verschillende 2D -materialen – Graphene en silicaglas – te integreren, in een enkele, stabiele verbinding genaamd Glapheen, volgens Een studie gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

“De lagen rusten niet alleen op elkaar; elektronen bewegen en vormen nieuwe interacties en vibratietoestanden, wat aanleiding geeft tot eigenschappen die geen van beide materiaal alleen heeft”, zei Sathvik Iyengar, een doctoraatsstudent aan Rice en een eerste auteur in de studie.

Wat nog belangrijker is, legde Iyengar uit, de methode zou van toepassing kunnen zijn op een breed scala aan 2D-materialen, waardoor de ontwikkeling van designer 2D-hybriden voor elektronica van de volgende generatie, fotonica en kwantumapparaten mogelijk is.

“Het opent de deur naar het combineren van volledig nieuwe klassen van 2D-materialen-zoals metalen met isolatoren of magneten met halfgeleiders-om op maat gemaakte materialen vanaf de grond te maken,” zei Iyengar.

Het team ontwikkelde een tweestaps, eenmalige methode om glapheen te laten groeien met behulp van een vloeibare chemische voorloper die zowel silicium als koolstof bevat. Door het afstemmen van zuurstofniveaus tijdens het verwarmen, groeiden ze eerst grafeen en verschoven vervolgens de omstandigheden om de vorming van een silicagaag te bevorderen. Dit vereiste een aangepaste hoge-temperatuur, lagedrukapparatuur die gedurende enkele maanden was ontworpen in samenwerking met Anchal Srivastava, een gastprofessor van de Banaras Hindu University in India.

“Die opstelling was wat de synthese mogelijk maakte,” zei Iyengar. “Het resulterende materiaal is een echte hybride met nieuwe elektronische en structurele eigenschappen.”

Zodra het materiaal was gesynthetiseerd, werkte het rijstteam aan het bevestigen van zijn structuur met Manoj Tripathi en Alan Dalton aan de Universiteit van Sussex. Een van de eerste aanwijzingen dat Glapheeny iets nieuws was, kwam uit een afwijking. Toen het team het materiaal analyseerde met behulp van Raman -spectroscopie – een techniek die detecteert hoe atomen trillen door subtiele verschuivingen in verspreid laserlicht te meten – vonden ze signalen die niet overeenkwamen met grafeen of silica. Deze onverwachte vibratie -kenmerken hebben gesuggereerd met een diepere interactie tussen de lagen.

In de meeste 2D -materiaalstapels zitten de lagen eenvoudig op hun plaats, zwak gehouden als magneten op een koelkastdeur. Maar in Glaphene vergrendelen de lagen veel meer dan wat zwakke van der Waals -bindingen wordt genoemd, waardoor elektronen tussen hen kunnen stromen en aanleiding geven tot volledig nieuw gedrag.

Om verder te onderzoeken, heeft Iyengar Marcos Pimenta geraadpleegd, een expert in spectroscopie in Brazilië. Uiteindelijk bleek de anomalie een artefact te zijn – een belangrijke herinnering, zei Iyengar, dat zelfs reproduceerbare resultaten met voorzichtigheid moeten worden behandeld.

Om beter te begrijpen hoe de gebonden lagen zich op atomair niveau gedragen, werkte het team samen met Vincent Meunier aan de Pennsylvania State University om de experimentele resultaten tegen kwantumsimulaties te verifiëren. Deze bevestigden dat de grafeen- en silicagloegen op een unieke manier op een unieke manier interageren en binden, waardoor elektronen in de interface gedeeltelijk worden gedeeld. Deze hybride binding verandert de structuur en het gedrag van het materiaal en verandert van een metaal en een isolator in een nieuw type halfgeleider.

“Dit was niet iets dat slechts één lab kon doen”, zei Iyengar, die onlangs een jaar in Japan doorbracht als fellow van de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), en ook een inaugurele ontvanger van de Quadship, een programma gelanceerd door de regeringen van de VS, India, India, India, India, Australië en Japan om vroege carrièrewetenschappers te verkennen in de manier waarop wetenschap, beleid en diploma -intersecteren in het wereldwijde podium. “Dit onderzoek was een cross-continentale inspanning om een ​​materiële aard te creëren en te begrijpen, maakt niet alleen.”

Pulickel Ajayan, Rice’s Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson hoogleraar engineering en hoogleraar materiaalwetenschappen en nano -engineering, zei dat hoewel de ontdekking van glapheen op zichzelf belangrijk is, wat het onderzoek echt opwindend maakt, de bredere methode is die het introduceert: een nieuw platform voor het chemisch combineren van fundamenteel verschillende 2D -materialen.

Het onderzoek weerspiegelt een leidende principe die Iyengar zegt dat hij heeft geërfd van zijn adviseur.

“Sinds ik aan mijn Ph.D. begon, heeft mijn adviseur me aangemoedigd om mengideeën te verkennen die anderen aarzelen om te mengen,” zei hij, citerend Ajayan, die een overeenkomstige auteur is in de studie naast Meunier. “Professor Ajayan heeft ook gezegd dat echte innovatie plaatsvindt op de knooppunten van aarzeling, en dit project is daar een bewijs van.”