«Эти экспериментальные результаты открывают новые возможности для исследования 2D-материалов», – говорит Джошуа Робинсон, доцент кафедры материаловедения и инженерии. «Эта работа направлена на создание двумерного нитрида галлия, чего раньше никогда не делали."
Нитрид галлия в его трехмерной форме известен как широкозонный полупроводник.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной важны для высокочастотных и мощных приложений. При выращивании в своей двумерной форме нитрид галлия превращается из материала с широкой запрещенной зоной в материал со сверхширокой запрещенной зоной, эффективно утраивая энергетический спектр, в котором может работать, включая весь ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный спектр. Эта работа будет иметь особое влияние на электрооптические устройства, которые управляют и пропускают свет.
Графен – ключ к успеху
«Это новый взгляд на синтез 2D-материалов», – сказал Зак Аль Балуши, доктор философии.D. кандидат под руководством Робинсона и Джоан Редуинг, профессора материаловедения, инженерии и электротехники.
Аль Балуши – ведущий автор статьи, которая выходит сегодня в сети в августе.29, в журнале Nature Materials под названием «Двумерный нитрид галлия, реализованный с помощью инкапсуляции графена."
«У нас есть палитра естественных 2D-материалов», – продолжил он. "Но чтобы выйти за рамки этого, мы должны синтезировать материалы, которых нет в природе. Как правило, новые системы материалов очень нестабильны.
Но наш метод выращивания, называемый Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), использует слой графена, чтобы способствовать росту и стабилизации прочной структуры двумерного нитрида галлия."
Графен выращен на подложке из карбида кремния, которая является технологически важной подложкой, широко используемой в промышленности для светодиодов, радаров и телекоммуникаций.
При нагревании кремний на поверхности разлагается и оставляет богатую углеродом поверхность, которая может преобразовываться в графен. Преимущество производства графена таким способом заключается в том, что граница раздела двух материалов идеально гладкая.
Робинсон считает, что в случае двумерного нитрида галлия добавление слоя графена имеет решающее значение.
Графен, слой атомов углерода толщиной в один атом, известен своими замечательными электронными свойствами и прочностью.
«Это ключ», – говорит Робинсон. "Если вы попытаетесь выращивать эти материалы традиционным способом на карбиде кремния, вы обычно просто формируете островки. Он не растет красивыми слоями на карбиде кремния."
Когда в смесь добавляются атомы галлия, они мигрируют через графен и образуют средний слой сэндвича с плавающим сверху графеном. Когда добавляются атомы азота, происходит химическая реакция, которая превращает галлий и азот в нитрид галлия.
Редвинг добавляет: «Процесс MEEG не только производит ультратонкие листы нитрида галлия, но также изменяет кристаллическую структуру материала, что может привести к совершенно новым применениям в электронике и оптоэлектронике."
Среди дополнительных соавторов – Ке Ван, Рафаэль Вила, Сара Эйчфилд, Ю-Чуан Линь и Шрути Субраманиан из штата Пенсильвания, Рам Кришна Гош и Суман Датта из Нотр-Дама, Джошуа Колдуэлл, США.S. Лаборатория военно-морских исследований, Сяое Цинь и Роберт Уоллес, Техасский университет в Далласе, и Деннис Пол, Физическая электроника США.
Финансирование было предоставлено Asahi Glass Co., Ltd, Япония и США.S.
Национальный научный фонд. Финансирование Аль Балуши было предоставлено Центром материаловедения и инженерии NSF в Пенсильвании.
Другое финансирование было предоставлено Альфредом П. Sloan Foundation, Лаборатория характеристик материалов Пенсильванского университета и Центр технологий систем с низким энергопотреблением (LEAST), финансируемые Semiconductor Research Corporation и DARPA.