“Grafeno blanco”: la hoja más grande del esquivo material acaba de ser creada en China

Físicos chinos han creado una hoja cuadrada de nitruro de boro hexagonal bidimensional con un área de aproximadamente cien centímetros cuadrados, lo que es casi mil veces más que el récord anterior. El método propuesto por los autores puede adaptarse fácilmente para el crecimiento de otros cristales bidimensionales. El artículo fue publicado en Nature, y la preimpresión del trabajo está disponible en arxiv.org.

Desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov trabajaron con el grafeno, los físicos no han dejado de explorar materiales bidimensionales y desarrollar dispositivos electrónicos bidimensionales. En comparación con los dispositivos electrónicos convencionales basados ​​en óxido de silicio, los dispositivos electrónicos bidimensionales tienen varias ventajas: son más pequeños, más rápidos y más funcionales. Actualmente, dichos materiales ya se utilizan en electrónica, optoelectrónica y fotovoltaica.

Cristales bidimensionales

Sin embargo, para extender estos logros a escala industrial, se necesita aprender cómo hacer crecer rápidamente grandes cristales bidimensionales, reemplazando los componentes electrónicos habituales: conductores, semiconductores y aisladores. Hasta ahora, los científicos han desarrollado tales métodos para solo un pequeño número de materiales.

En particular, hasta ahora los físicos no pueden crear grandes áreas de nitruro de boro hexagonal bidimensional (“grafeno blanco”). Gracias a la estabilidad, una superficie plana y una amplia zona prohibida, algunos físicos llaman a este material el mejor aislante bidimensional. Desafortunadamente, el tamaño de escamas típico del “grafeno blanco” no excede de un milímetro.

Básicamente, un tamaño tan pequeño se explica por las peculiaridades del crecimiento de los cristales. Por un lado, debido a la excesiva nucleación, es imposible un escenario en el que un solo dominio se convierta en un gran cristal único. Por otro lado, debido a la triple simetría de la red, los dominios de nitruro de boro a menudo giran en diferentes direcciones y, por lo tanto, no pueden pegarse entre sí en un cristal uniforme. Como mínimo, estos problemas acompañan el crecimiento del nitruro de boro en la mayoría de los sustratos.

El nuevo record

Pero ahora un grupo de físicos bajo el liderazgo de Li Wang descubrió cómo deshacerse de estos problemas y levantó un cristal de grafeno blanco bidimensional de 10×10 centímetros. Esto es casi mil veces el récord anterior. Para lograr un resultado tan impresionante, los investigadores adaptaron el método de acumulación de grafeno epitaxial en una lámina de cobre (111) (lo utilizaron para cultivar una lámina de grafeno de 5×50 centímetros hace dos años).

Por sí mismo, este material no es muy adecuado para el crecimiento de nitruro de boro: tiene una simetría demasiado alta, debido a que los dominios de crecimiento del nitruro de boro tienen una orientación diferente. Para reducir esta simetría, los investigadores recocieron durante diez minutos la lámina a una temperatura de 1060 grados centígrados (a esta temperatura, el cobre comenzó a fundirse) y luego la calentaron durante otras tres horas a una temperatura de 1040 grados. Como resultado, se formaron escalones en su superficie, que disminuyeron el grado de simetría de la superficie y obligaron a los dominios de boro a orientarse en la misma dirección. Los científicos controlaron la formación de pasos mediante el análisis estructural de rayos X, es decir, la lámina se radiografió y se midió la posición de los picos de difracción.

Para construir una película de “grafeno blanco” en la lámina, los investigadores colocaron un crisol de óxido de aluminio sobre ella, la llenaron con borazano H3B-NH3 y la calentaron a una temperatura de 1035 grados centígrados. Tan pronto como el crisol se calentó, los científicos bajaron la presión del gas a 0,002 de atmósfera y lo soplaron con una mezcla de argón e hidrógeno. Después de aproximadamente una hora de síntesis, aparecieron dominios separados de nitruro de boro en la superficie de la lámina, y después de otras dos horas, los dominios se fusionaron en un cristal sólido de dos dimensiones.

Los científicos monitorearon el crecimiento de los cristales utilizando rayos X, Raman y espectroscopia de absorción, así como también utilizando un microscopio de fuerza atómica y un microscopio de barrido electrónico de transmisión. Todos estos métodos han confirmado que el material bidimensional es un cristal hexagonal de nitruro de boro. Además, las mediciones mostraron que el crecimiento del dominio siempre comenzó al pie del escalón, debido a que el 99.5% de los dominios estaban orientados en una dirección. Así, el cristal de grafeno blanco fue homogéneo.

Finalmente, para explicar por qué los dominios alinean los pasos, los científicos calcularon numéricamente la energía de enlace del paso y el borde del dominio hexagonal de boro. Para ello, los físicos utilizaron la teoría de la densidad funcional. Como se esperaba, los cálculos mostraron que es más beneficioso para el dominio orientarse a lo largo de la dirección <221> en un cristal de cobre. Las desviaciones insignificantes de esta regla son atribuidas por los científicos a los defectos en los pasos.

Posibles aplicaciones

Los autores del artículo creen que en el futuro el método desarrollado por ellos se puede adaptar para el crecimiento de otros cristales bidimensionales con simetría reducida, por ejemplo, los dicalcogenuros de metales de transición. Esto, a su vez, reducirá el costo de producción de dispositivos bidimensionales.

Los físicos a menudo usan nitruro de boro hexagonal bidimensional como ayuda en otros experimentos. Por ejemplo, en agosto de 2015, investigadores del laboratorio de Andrei Geim en la Universidad de Manchester ofrecieron “laminar” materiales bidimensionales inestables con capas estables de “grafeno blanco” y luego probaron el método propuesto en monocapas de fósforo negro y seleniuro de niobio.

En agosto de 2018, los científicos desarrollaron una heteroestructura rotatoria que consistía en capas de grafeno y nitruro de boro hexagonal. Las capas pueden rotarse entre sí y, por lo tanto, controlar las propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas de la heteroestructura formada. En abril de 2019, los científicos estadounidenses establecieron un récord para la densidad de las fuentes de fotones cuánticos utilizando una hoja de grafeno blanco, acercándose así al límite teórico. Además, al usar nitruro de boro bidimensional, puede imprimir transistores flexibles, separar isótopos de hidrógeno y convertir un aislante topológico en un superconductor.

Fuente: nmas1.org

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