La percée du graphène-hBN pour stimuler les nouvelles LED et l’informatique quantique

Le processus, qui peut produire de grandes feuilles de hBN de haute qualité avec le processus d’épitaxie par faisceau moléculaire largement utilisé, est détaillé dans une étude en Matériaux avancés.

Les structures de graphène-hBN peuvent alimenter des LED qui génèrent de la lumière UV profonde, ce qui est impossible dans les LED d’aujourd’hui, a déclaré Zetian Mi, professeur de génie électrique et d’informatique à l’UM et auteur correspondant de l’étude. Les LED UV profondes pourraient entraîner une taille plus petite et une plus grande efficacité dans une variété d’appareils, y compris les lasers et les purificateurs d’air.

“La technologie utilisée pour générer de la lumière UV profonde aujourd’hui est celle des lampes au mercure-xénon, qui sont chaudes, encombrantes, inefficaces et contiennent des matériaux toxiques”, a déclaré Mi. “Si nous pouvons générer cette lumière avec des LED, nous pourrions voir une révolution de l’efficacité dans les appareils UV similaire à ce que nous avons vu lorsque les ampoules LED ont remplacé les ampoules à incandescence.”

Le nitrure de bore hexagonal est l’isolant le plus fin au monde, tandis que le graphène est le plus fin d’une classe de matériaux appelés semi-métaux, qui ont des propriétés électriques hautement malléables et sont importants pour leur rôle dans les ordinateurs et autres appareils électroniques.

La liaison du hBN et du graphène en couches lisses et épaisses d’un seul atome libère un trésor de propriétés exotiques. En plus des LED UV profondes, les structures graphène-hBN pourraient permettre des dispositifs informatiques quantiques, une électronique et une optoélectronique plus petites et plus efficaces et une variété d’autres applications.

“Les chercheurs connaissent les propriétés du hBN depuis des années, mais dans le passé, la seule façon d’obtenir les feuilles minces nécessaires à la recherche était de les exfolier physiquement à partir d’un cristal de nitrure de bore plus gros, qui demande beaucoup de travail et ne produit que de minuscules flocons. du matériel », a déclaré Mi. “Notre processus peut produire des feuilles minces à l’échelle atomique de pratiquement n’importe quelle taille, ce qui ouvre de nombreuses nouvelles possibilités de recherche passionnantes.”

Parce que le graphène et le hBN sont si fins, ils peuvent être utilisés pour construire des appareils électroniques beaucoup plus petits et plus économes en énergie que ceux disponibles aujourd’hui. Les structures en couches de hBN et de graphène peuvent également présenter des propriétés exotiques qui pourraient stocker des informations dans des dispositifs informatiques quantiques, comme la capacité de passer d’un conducteur à un isolant ou de supporter des spins électroniques inhabituels.

Alors que les chercheurs ont essayé dans le passé de synthétiser de fines couches de hBN en utilisant des méthodes telles que la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur, ils ont eu du mal à obtenir les couches d’atomes ordonnées avec précision nécessaires pour se lier correctement à la couche de graphène.

“Pour obtenir un produit utile, vous avez besoin de rangées cohérentes et ordonnées d’atomes hBN qui s’alignent avec le graphène en dessous, et les efforts précédents n’ont pas pu y parvenir”, a déclaré Ping Wang, chercheur postdoctoral en génie électrique et informatique. “Certains des hBN se sont bien effondrés, mais de nombreuses zones étaient désordonnées et alignées au hasard.”

L’équipe, composée de chercheurs en génie électrique et informatique, en science et génie des matériaux et en physique, a découvert que des rangées nettes d’atomes hBN sont plus stables à haute température que les formations irrégulières indésirables. Fort de ces connaissances, Wang a commencé à expérimenter l’épitaxie par faisceau moléculaire, un procédé industriel qui consiste à pulvériser des atomes individuels sur un substrat.

Wang a utilisé un substrat de graphène en terrasse – essentiellement un escalier à l’échelle atomique – et l’a chauffé à environ 1600 degrés Celsius avant de pulvériser sur des atomes de bore et d’azote actifs individuels. Le résultat a largement dépassé les attentes de l’équipe, formant des coutures soigneusement ordonnées de hBN sur le les bords en terrasse du graphène, qui se sont étendus en larges rubans de matière.

“Expérimenter avec de grandes quantités de hBN vierge était un rêve lointain pendant de nombreuses années, mais cette découverte change cela”, a déclaré Mi. “C’est un grand pas vers la commercialisation des structures quantiques 2D.”

Ce résultat n’aurait pas été possible sans la collaboration de diverses disciplines. La théorie mathématique qui sous-tend certains des travaux a impliqué des chercheurs en génie électrique et en informatique et en science et génie des matériaux, de l’UM et de l’Université de Yale.

Le laboratoire de Mi a développé le processus, synthétisé le matériau et caractérisé ses interactions avec la lumière. Ensuite, des scientifiques et ingénieurs des matériaux de l’UM et des collaborateurs de l’Ohio State University ont étudié en détail ses propriétés structurelles et électriques.

Emmanouil Kioupakis, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à l’UM, et Jay Gupta, professeur de physique à l’OSU, sont également les auteurs correspondants de l’article.

La recherche a été soutenue par la Michigan Engineering Blue Sky Initiative, le Army Research Office, la National Science Foundation, le US Department of Energy et la WM Keck Foundation.