Un calcul de la théorie fonctionnelle de la densité a montré les propriétés magnétiques d'un échantillon fluoré de nitrure de bore hexagonal. Cette version est ferromagnétique, déterminé par la façon dont les atomes de fluor (rouge) se fixent à la matrice de bore et d'azote. Crédit :Ajayan Group/Rice University
Un peu de fluor transforme une céramique isolante connue sous le nom de graphène blanc en un semi-conducteur à large bande interdite aux propriétés magnétiques. Les scientifiques de l'Université Rice ont déclaré que ce matériau unique pourrait être adapté à l'électronique dans des environnements extrêmes.
Un document de preuve de concept des chercheurs de Rice démontre un moyen de transformer le nitrure de bore hexagonal bidimensionnel (h-BN) - alias le graphène blanc - d'un isolant à un semi-conducteur. Le magnétisme, ils ont dit, est un bonus inattendu.
Parce que le matériau atomiquement mince est un conducteur de chaleur exceptionnel, les chercheurs ont suggéré qu'il pourrait être utile pour l'électronique dans les applications à haute température, peut-être même comme dispositifs de mémoire magnétique.
La découverte paraît cette semaine dans Avancées scientifiques .
"Le nitrure de bore est un isolant stable et commercialement très utile comme revêtement protecteur, même en cosmétique, car il absorbe la lumière ultraviolette, " a déclaré Pulickel Ajayan, scientifique en matériaux de riz, dont le laboratoire a dirigé l'étude. "Il y a eu beaucoup d'efforts pour essayer de modifier sa structure électronique, mais nous ne pensions pas qu'il pouvait devenir à la fois un semi-conducteur et un matériau magnétique.
"C'est donc quelque chose de tout à fait différent ; personne n'a vu ce genre de comportement dans le nitrure de bore auparavant, " il a dit.
Les chercheurs ont découvert que l'ajout de fluor au h-BN introduisait des défauts dans sa matrice atomique qui réduisaient suffisamment la bande interdite pour en faire un semi-conducteur. La bande interdite détermine la conductivité électrique d'un matériau.
Un calcul de la théorie fonctionnelle de la densité a montré les propriétés magnétiques d'un échantillon fluoré de nitrure de bore hexagonal. Cette version est anti-ferromagnétique, déterminé par la façon dont les atomes de fluor (rouge) se fixent à la matrice de bore et d'azote. Crédit :Ajayan Group/Rice University
« Nous avons vu que l'écart diminue à environ 5 % de fluoration, " a déclaré le chercheur postdoctoral et co-auteur de Rice Chandra Sekhar Tiwary. L'écart se réduit avec une fluoration supplémentaire, mais seulement jusqu'à un certain point. "Le contrôle de la fluoration précise est quelque chose sur lequel nous devons travailler. Nous pouvons obtenir des plages mais nous n'avons pas encore un contrôle parfait. Parce que le matériau est atomiquement mince, un atome de moins ou de plus change un peu.
"Dans la prochaine série d'expériences, nous voulons apprendre à l'accorder avec précision, atome par atome, " il a dit.
Ils ont déterminé que la tension appliquée en envahissant les atomes de fluor modifiait le "spin" des électrons dans les atomes d'azote et affectait leurs moments magnétiques, la qualité fantomatique qui détermine comment un atome réagira à un champ magnétique comme un invisible, boussole nanométrique.
« Nous voyons des rotations orientées vers l'angle, qui sont très peu conventionnels pour les matériaux 2D, " a déclaré Rice, étudiant diplômé et auteur principal, Sruthi Radhakrishnan. Plutôt que de s'aligner pour former des ferromagnétiques ou de s'annuler, les vrilles sont inclinées au hasard, donnant au matériau plat des poches aléatoires de magnétisme net. Ces poches ferromagnétiques ou anti-ferromagnétiques peuvent exister dans le même swatch de h-BN, ce qui en fait des « aimants frustrés » avec des domaines concurrents.
Les chercheurs ont dit que leur simple, La méthode évolutive peut potentiellement être appliquée à d'autres matériaux 2D. « Fabriquer de nouveaux matériaux grâce à la nano-ingénierie est exactement le but de notre groupe, " dit Ajayan.
Sruthi Radhakrishnan, étudiant diplômé de l'Université Rice, montre des échantillons de nitrure de bore hexagonal pur et de nitrure de bore hexagonal fluoré. La fluoration transforme le matériau connu sous le nom de graphène blanc, un isolant commun, dans un semi-conducteur magnétique qui peut convenir à l'électronique et aux capteurs dans des environnements extrêmes. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les co-auteurs de l'article sont les étudiants diplômés Carlos de los Reyes et Zehua Jin, professeur de chimie Lawrence Alemany, chercheur postdoctoral Vidya Kochat et Angel Martí, professeur agrégé de chimie, de la bio-ingénierie et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie, tout riz; Valery Khabashesku de Rice et du Baker Hughes Center for Technology Innovation, Houston ; Parambath Sudeep de Rice et l'Université de Toronto; Deya Das, Atanu Samanta and Rice alumnus Abhishek Singh of the Indian Institute of Science, Bangalore; Liangzi Deng and Ching-Wu Chu of the University of Houston; Thomas Weldeghiorghis of Louisiana State University and Ajit Roy of the Air Force Research Laboratories at Wright-Patterson Air Force Base.
Ajayan is chair of Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering and a professor of chemistry.
