Une méthode récemment découverte pour fabriquer des matériaux bidimensionnels pourrait conduire à des propriétés nouvelles et extraordinaires, en particulier dans une classe de matériaux appelés nitrures, disent les scientifiques des matériaux de Penn State qui ont découvert le processus. Cette toute première croissance de nitrure de gallium bidimensionnel par encapsulation de graphène pourrait conduire à des applications dans les lasers ultraviolets profonds, électronique et capteurs de nouvelle génération.

« Ces résultats expérimentaux ouvrent de nouvelles voies de recherche dans les matériaux 2D, " dit Joshua Robinson, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Ce travail porte sur la fabrication de nitrure de gallium 2D, ce qui n'a jamais été fait auparavant."

Le nitrure de gallium sous sa forme tridimensionnelle est connu pour être un semi-conducteur à large bande interdite. Les semi-conducteurs à large bande interdite sont importants pour les hautes fréquences, applications haute puissance. Lorsqu'il est cultivé sous sa forme bidimensionnelle, le nitrure de gallium se transforme d'un matériau à large bande interdite en un matériau à ultralarge bande interdite, tripler efficacement le spectre d'énergie dans lequel il peut fonctionner, y compris tout l'ultraviolet, spectre visible et infrarouge. Ces travaux auront un impact particulier sur les dispositifs électro-optiques qui manipulent et transmettent la lumière.

"C'est une nouvelle façon de penser la synthèse de matériaux 2D, " a déclaré Zak Al Balushi, un doctorat candidat co-dirigé par Robinson et Joan Redwing, professeur de science et génie des matériaux et de génie électrique. Al Balushi est l'auteur principal d'un article paru en ligne aujourd'hui (29 août) dans la revue Matériaux naturels intitulé "Nitride de gallium bidimensionnel réalisé par encapsulation de graphène".

"Nous avons cette palette de matériaux 2D naturels, " continua-t-il. " Mais pour aller au-delà de ça, nous devons synthétiser des matériaux qui n'existent pas dans la nature. Typiquement, les nouveaux systèmes matériels sont très instables. Mais notre méthode de croissance, appelé Migration Enhanced Encapsulated Growth (MEEG), utilise une couche de graphène pour aider à la croissance et stabiliser une structure robuste de nitrure de gallium 2D."

Le graphène est cultivé sur un substrat de carbure de silicium, qui est un substrat technologiquement important largement utilisé dans l'industrie pour les LED, radars et télécommunications. Lorsqu'il est chauffé, le silicium à la surface se décompose et laisse une surface riche en carbone qui peut se reconstituer en graphène. L'avantage de produire le graphène de cette manière est que l'interface où les deux matériaux se rencontrent est parfaitement lisse.

Robinson pense que dans le cas du nitrure de gallium bidimensionnel, l'ajout d'une couche de graphène fait toute la différence. Graphène, une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, est connu pour ses propriétés électroniques et sa résistance remarquables.

"C'est la clé, " dit Robinson. " Si vous essayez de cultiver ces matériaux de manière traditionnelle, sur carbure de silicium, vous ne formez normalement que des îles. Il ne pousse pas en belles couches sur le carbure de silicium."

Lorsque des atomes de gallium sont ajoutés au mélange, ils migrent à travers le graphène et forment la couche intermédiaire d'un sandwich, avec du graphène flottant sur le dessus. Lorsque des atomes d'azote sont ajoutés, une réaction chimique se produit qui transforme le gallium et l'azote en nitrure de gallium.

"Le procédé MEEG produit non seulement des feuilles ultra-minces de nitrure de gallium, mais modifie également la structure cristalline du matériau, qui peut conduire à des applications entièrement nouvelles en électronique et en optoélectronique, " dit Aile rouge.