石墨烯hBN突破以刺激新的LED和量子计算

密歇根大学的一个研究小组开发了第一个可以在石墨烯上生长单层六方氮化硼的可靠、可扩展的方法，这一发现可以加速下一代电子产品和LED设备的研究。

AdvancedMaterials的一项研究详细介绍了该工艺，该工艺可以使用广泛使用的分子束外延工艺生产大片高质量的hBN。

UM电气工程和计算机科学教授、该研究的通讯作者ZetianMi说，石墨烯-hBN结构可以为产生深紫外光的LED供电，这在当今的LED中是不可能的。深紫外LED可以在包括激光器和空气净化器在内的各种设备中实现更小的尺寸和更高的效率。

“今天用于产生深紫外光的技术是汞氙灯，它很热、体积大、效率低且含有有毒物质，”米说。“如果我们可以用LED产生这种光，我们可以看到紫外线设备的效率革命，类似于我们在LED灯泡取代白炽灯时看到的那样。”

六方氮化硼是世界上最薄的绝缘体，而石墨烯是被称为半金属的一类材料中最薄的一种，具有高度延展性的电气特性，对于它们在计算机和其他电子产品中的作用非常重要。

将hBN和石墨烯粘合在一起形成光滑的单原子厚层，释放出奇异特性的宝库。除了深紫外LED，石墨烯-hBN结构还可以实现量子计算设备、更小、更高效的电子产品和光电子产品以及各种其他应用。

“研究人员多年来一直了解hBN的特性，但在过去，获得研究所需薄片的唯一方法是从较大的氮化硼晶体中物理剥离它们，这是劳动密集型的，而且只能产生微小的薄片材料，”米说。“我们的工艺可以生长出基本上任何尺寸的原子级薄片，这开启了许多令人兴奋的新研究可能性。”

由于石墨烯和hBN非常薄，它们可用于制造比当今可用的更小、更节能的电子设备。hBN和石墨烯的分层结构还可以表现出奇特的特性，可以在量子计算设备中存储信息，例如从导体切换到绝缘体或支持不寻常的电子自旋的能力。

虽然研究人员过去曾尝试使用溅射和化学气相沉积等方法合成hBN薄层，但他们难以获得与石墨烯层正确结合所需的均匀、精确有序的原子层。

电气工程和计算机科学博士后研究员PingWang说：“要获得有用的产品，您需要一致、有序的hBN原子行与下面的石墨烯对齐，而以前的努力无法实现这一点。”“一些hBN整齐地下降，但许多区域是无序且随机排列的。”

该团队由电气工程和计算机科学、材料科学与工程以及物理学研究人员组成，他们发现整齐排列的hBN原子在高温下比不受欢迎的锯齿状结构更稳定。有了这些知识，王开始试验分子束外延，这是一种工业过程，相当于将单个原子喷射到基板上。

Wang使用了一个梯形石墨烯基板——本质上是一个原子级的楼梯——并将其加热到1600摄氏度左右，然后再喷洒在单个硼和活性氮原子上。结果远远超出了团队的预期，在石墨烯的梯形边缘上形成了整齐有序的hBN接缝，并扩展成宽阔的材料带。

“多年来，用大量原始hBN进行实验是一个遥不可及的梦想，但这一发现改变了这一点，”Mi说。“这是朝着二维量子结构商业化迈出的一大步。”

如果没有各学科的合作，这个结果是不可能的。支持一些工作的数学理论涉及来自UM和耶鲁大学的电气工程和计算机科学以及材料科学与工程的研究人员。

Mi的实验室开发了这一工艺，合成了材料并表征了它与光的相互作用。然后，UM的材料科学家和工程师以及俄亥俄州立大学的合作者详细研究了它的结构和电气特性。

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