Prof. Zonghoon Lee’s Atomic-Scale Electron Microscopy Lab



[English ver.]

An ultimate one-dimensional electronic channel in hexagonal boron nitride

- A zero bandgap boundary discovered in insulating hexagonal boron nitride sheets with could pave the way for new nano-electronic devices - 

In the field of 2D electronics, the norm used to be that graphene is the main protagonist and hexagonal boron nitride (hBN) is its insulating passive support. Researchers of the Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) within the Institute for Basic Science (IBS, South Korea) made a discovery that might change the role of hBN. They have reported that stacking of ultrathin sheets of hBN in a particular way creates a conducting boundary with zero bandgap. In other words, the same material could block the flow of electrons, as a good insulator, and also conduct electricity in a specific location. Published in the journal Science Advances, this result is expected to raise interest in hBN by giving it a more active part in 2D electronics.

Similarly to graphene, hBN is a 2D material with high chemical, mechanical and thermal stability. hBN sheets resemble a chicken wire, and are made of hexagonal rings of alternating boron and nitrogen atoms, strongly bound together. However, unlike graphene, hBN is an insulator with a large bandgap of more than five electronVolts, which limits its applications.

“In contrast to the wide spectrum of proposed applications for graphene, hexagonal boron nitride is often regarded as an inert material, largely confined as substrate or electron barrier for 2D material-based devices. When we began this research, we were convinced that reducing the bandgap of hBN could give to this material the versatility of graphene,” says the first author, PARK Hyo Ju.

Several attempts to lower the bandgap of hBN have been mostly ineffective because of its strong covalent boron-nitrogen bonds and chemical inertness. IBS researchers in collaboration with colleagues of Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sejong University, Korea, and Nanyang Technological University, Singapore, managed to produce a particular stacking boundary of a few hBN layers having a bandgap of zero electronVolts.

Depending on how the hBN sheets are piled up, the material can assume different configurations. For example, in the so-called AA′ arrangement, the atoms in one layer are aligned directly on the top of atoms in another layer, but successive layers are rotated such that boron is located on nitrogen and nitrogen on boron atoms. In another type of layout, known as AB, half of the atoms of one layer lie directly over the center of the hexagonal rings of the lower sheet, and the other atoms overlap with the atoms underneath.

For the first time, the team has reported atomically sharp AA′/AB stacking boundaries formed in few-layer hBN grown by chemical vapor deposition. Characterized by a line of oblong hexagonal rings, this specific boundary has zero bandgap. To confirm this result, the research performed several simulations and tests via transmission electron microscopy, density functional theory calculations, and ab initio molecular dynamics simulations.

[Korean ver.]

                                                         단원자 두께 전도채널을 품은 2차원 육방정계 질화붕소(hBN) 발견

 부분적으로 전기가 통하는 절연체 물질이 발견됐다. 이종훈 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 팀은 2차원 절연체 물질인 육방정계 질화붕소(hBN)를 층층이 쌓아올린 물질의 경계에서 머리카락 보다 백만 배 얇은 1.5nm 두께의 전도 채널을 발견했다.

붕소(B)와 질소(N)가 육각형 벌집 모양으로 놓인 hBN은 높은 열적‧기계적‧화학적 안정성을 지닌 소재다. 투명하고 자유롭게 휘어진다는 특성도 있다. 이런 우수한 물성에도 불구하고 hBN을 전자소자에 사용하긴 어려웠다. 전기가 통하지 않기 때문이다. hBN은 지금까지 기판이나 전류의 흐름을 막기 위한 절연체 등 전자소자 분야에서 ‘조연’ 역할을 해왔다.

연구진은 hBN을 여러 형태로 합성하는 과정에서 부분적으로 전기가 통하는 새로운 구조를 발견했다. 우선 연구진은 AA’과 AB 적층을 가지는 두 유형의 hBN을 합성했다. AA’은 위층의 육각형 모양 분자가 아래 층 육각형의 바로 위에 놓인 구조다. 반면, 위층의 육각형 분자가 엇갈려 쌓인 구조를 AB 적층 hBN이라 부른다.

이후 AA’ 적층 hBN과 AB 적층 hBN을 차례로 쌓아올린 소자를 제작했다. 두 hBN이 맞닿은 경계면에서 단원자 두께의 전자통로가 형성됐다. 이후 원자분해능 투과전자현미경(TEM) 및 이미지 시뮬레이션 분석을 통해 이 전자통로가 길쭉한 육각형 모양을 띄고 있다는 것도 확인했다.

제1저자인 박효주 IBS 연구위원은 “도체와 부도체를 결합해 반도체 소자를 만드는 경우 두 소재를 안정화시키는 과정이 필요하지만, 이번에 개발된 소자는 절연에 사이에 전자통로가 내재된 구조이기 때문에 이 과정이 필요 없다”며 “공정이 한 단계 주는 만큼 제조비용 역시 절감될 수 있다”고 설명했다.

이종훈 IBS 그룹리더는 “그간 2차원 전자소자 분야에서 hBN은 그래핀이라는 주인공을 돋보이게 하는 조연 역할을 해왔다”며 “hBN이 부도체이자 도체로 역할 할 수 있음을 규명한 만큼 향후 hBN 단일전자소자 등으로 응용 범위를 무한히 넓혀갈 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 3월 7일자에 게재됐다.