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石墨烯-hBN在深紫外LED上的突破

2022/4/28 19:22:58      材料来源:化合物半导体

密歇根州的一项研究发现了生产高质量、晶圆级、单层六方氮化硼的方法


密歇根大学的一个研究团队开发出了第一个可以在石墨烯上生长单层六方氮化硼(BN)的可靠的、可扩展的方法,这一发现可以加快对下一代电子器件和LED器件的研究。

 

这种工艺可以通过分子束外延(MBE)工艺生产大面积的高质量hBN,详细内容见《先进材料》上发表的论文《石墨烯上单层六方氮化硼的可扩展合成与巨带隙重整化》( 'Scalable Synthesis of Monolayer Hexagonal Boron Nitride on Graphene with Giant Bandgap Renormalization' )。

 

密歇根大学电气工程和计算机科学教授、该研究的通讯作者 Zetian Mi 说,石墨烯-hBN 结构可以产生深紫外 LED发光 ,这在当今的 LED 中是不可能的。深紫外光 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,这种灯很热、笨重、效率低,而且含有有毒物质,”Mi说,“如果我们能用LED产生这种光,我们就可以看到紫外线器件的效率革命,和我们看到LED灯泡取代白炽灯时的情况一样。”

 

将hBN和石墨烯粘合在一起形成光滑的单原子厚的层,可以释放出大量的奇异特性。除了深紫外LED之外,石墨烯-hBN结构还可以实现量子计算器件,更小和更高效的电子和光电子应用以及其他各种应用。

 

“研究人员多年来一直都了解hBN的特性,但是在过去,获得研究所需的薄膜的唯一方法是将它们从较大的BN晶体中物理剥离,这是很低效的工作,而且只能得到极小的片状材料,”Mi说,“而我们的工艺可以生长出基本上任何尺寸的原子级薄膜,这开启了许多让人兴奋的新研究的可能性。”

 

虽然研究人员过去曾试图用溅射和CVD等方法合成hBN薄膜,但他们很难获得均匀、精确有序的原子层,而这正是与石墨烯层正确结合所需要的。

 

“要得到一个可用的产品,你需要一致的、有序的hBN原子排列,与下面的石墨烯对齐,而以前的方法无法实现这一点。” 电气工程和计算机科学博士后研究员Ping Wang说,“一些hBN排列整齐,但许多区域无序且随机对齐。”

 

由电气工程和计算机科学、材料科学和工程以及物理学研究人员组成的团队发现,整齐排列的hBN原子序列在高温下比不好的锯齿状结构更稳定。有了这些发现后,Wang开始了MBE的实验。

 

Wang使用了一个梯形石墨烯基板,基本上是一个原子级的阶梯,并将其加热到1600摄氏度左右,然后沉积单个硼原子和活性氮原子。结果远远超出了研究团队的预期,在石墨烯的梯形边缘形成了整齐有序的hBN,并且扩展成大尺度带状材料。

 

Mi说:“多年来,用大量的原始hBN进行实验一直是个遥不可及的梦想,但是这个发现改变了这一点。这是朝2D量子结构商业化迈出的一大步。”

 

如果没有来自不同学科的合作,这一结果是不可能实现的。密歇根大学和耶鲁大学的电气工程、计算机科学以及材料科学和工程的研究人员提供了支撑部分工作的数学理论。

 

Mi的实验室开发了这一工艺,合成了该材料并表征了它与光的相互作用。然后,密歇根大学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。

 

密西根大学材料科学和工程系副教授Emmanouil Kioupakis和俄亥俄州立大学物理学教授Jay Gupta也是该论文的通讯作者。

 

这项研究得到了密歇根工程蓝天计划、陆军研究办公室、国家科学基金会、美国能源部和W.M. Keck基金会的支持。

 

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