Une couche de nitrure de bore hexagonal a la forme d'un grillage, et est formé par l'alternance de bore (B, rose) et de l'azote (N, bleu). Selon la façon dont les couches sont empilées, le matériel prend des dispositions différentes :AA, UN B, CA, AA', UN B', et AC'. L'équipe a atteint et étudié une limite d'empilement AA?/AB pour la première fois. Crédit :IBS
Dans le domaine de l'électronique 2D, la norme était que le graphène est le principal protagoniste et le nitrure de bore hexagonal (hBN) est son support passif isolant. Les chercheurs du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) a fait une découverte qui pourrait changer le rôle de hBN. Ils ont signalé que l'empilement de feuilles ultrafines de hBN d'une manière particulière crée une frontière conductrice avec une bande interdite nulle. En d'autres termes, le même matériau pourrait bloquer le flux d'électrons, comme un bon isolant, et également conduire l'électricité dans un endroit spécifique. Publié dans la revue Avancées scientifiques , ce résultat devrait susciter l'intérêt pour le hBN en lui donnant une part plus active dans l'électronique 2D.
De la même manière que le graphène, hBN est un matériau 2D à haute teneur chimique, stabilité mécanique et thermique. les feuilles hBN ressemblent à un grillage, et sont constitués d'anneaux hexagonaux d'atomes de bore et d'azote alternés, fortement liés ensemble. Cependant, contrairement au graphène, hBN est un isolant avec une large bande interdite de plus de cinq électronVolts, ce qui limite ses applications.
"Contrairement au large spectre d'applications proposées pour le graphène, le nitrure de bore hexagonal est souvent considéré comme un matériau inerte, largement confiné comme substrat ou barrière électronique pour les dispositifs à base de matériaux 2-D. Lorsque nous avons commencé cette recherche, nous étions convaincus que réduire la bande interdite du hBN pouvait donner à ce matériau la polyvalence du graphène, " dit le premier auteur, Parc Hyo Ju.
Plusieurs tentatives pour réduire la bande interdite de hBN ont été pour la plupart inefficaces en raison de ses fortes liaisons covalentes bore-azote et de son inertie chimique. Chercheurs de l'IBS en collaboration avec des collègues de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), Université Sejong, Corée, et l'Université technologique de Nanyang, Singapour, a réussi à produire une limite d'empilement particulière de quelques couches de hBN ayant une bande interdite de zéro électronVolt.
Un canal conducteur se forme à la limite d'empilement de la feuille de nitrure de bore hexagonal (hBN) qui semble être cousue avec des anneaux hexagonaux oblongs. Il rejoint un arrangement de tous les atomes d'azote situés au-dessus des atomes de bore, et tous les atomes de bore situés au-dessus des atomes d'azote dans des positions parfaitement alignées (côté gauche du canal) et une autre configuration où la moitié des atomes se trouvent au centre des anneaux de la feuille inférieure, et l'autre moitié chevauche les atomes en dessous (côté droit du canal). Crédit :IBS
Images de microscopie électronique à transmission de nitrure de bore hexagonal à quelques couches avec des limites d'empilement AA'/AB atomiquement nettes. Les canaux à bande interdite nulle entre AA' et AB sont indiqués par des lignes pointillées jaunes en (b), et représenté à haute résolution également en (c), (d) et (e). Crédit :IBS
Selon la façon dont les feuilles hBN sont empilées, le matériau peut prendre différentes configurations. Par exemple, dans l'arrangement dit AA', les atomes d'une couche sont alignés directement sur le dessus des atomes d'une autre couche, mais les couches successives sont tournées de telle sorte que le bore se trouve sur l'azote et l'azote sur les atomes de bore. Dans un autre type de mise en page, connu sous le nom d'AB, la moitié des atomes d'une couche se trouvent directement au centre des anneaux hexagonaux de la feuille inférieure, et les autres atomes se chevauchent avec les atomes en dessous.
Pour la première fois, l'équipe a signalé des limites d'empilement AA'/AB atomiquement nettes formées dans du hBN à quelques couches développé par dépôt chimique en phase vapeur. Caractérisé par une ligne d'anneaux hexagonaux oblongs, cette limite spécifique a une bande interdite nulle. Pour confirmer ce résultat, la recherche a réalisé plusieurs simulations et tests par microscopie électronique à transmission, calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, et des simulations de dynamique moléculaire ab initio.
"Un canal conducteur atomique élargit à l'infini le domaine d'application du nitrure de bore, et ouvre de nouvelles possibilités pour le tout-hBN ou tous les dispositifs nanoélectroniques 2-D, " souligne l'auteur correspondant Zonghoon Lee.
