Гексагональный нитрид бора (h-BN): Структура, свойства и применение

Введение

Нитрид бора (BN) существует в нескольких кристаллических формах, включая кубическую (c-BN), гексагональную (h-BN) и аморфную фазы. Среди них наибольшее внимание привлек гексагональный нитрид бора благодаря своему структурному сходству с графитом и сочетанию термической стабильности, электроизоляции и химической инертности. Часто называемый "белым графитом", h-BN сегодня широко используется в микроэлектронике, высокотемпературной технике и современных композитах.

Структура и внутренние свойства

Гексагональный нитрид бора имеет слоистую гексагональную решетку с конфигурацией укладки ABAB. Каждый слой состоит из чередующихся атомов бора и азота, соединенных сильными ковалентными связями в плоскости. Межслойное взаимодействие, управляемое силами Ван-дер-Ваальса, делает материал механически анизотропным - жестким в плоскости и легко расщепляемым вне плоскости.

Хотя h-BN и графит имеют схожую геометрию решетки, их электронные структуры принципиально отличаются. Графит является проводящим благодаря делокализованным π-электронам, в то время как h-BN с ионными связями B-N является изолятором с широкой полосой пропускания (~5,9 эВ).

Ключевые свойства:

• Кристаллическая структура: Гексагональная

• Параметры решетки: a ≈ 2,50 Å, c ≈ 6,66 Å

• Межслойное расстояние: ~3.33 Å

• Межзонный промежуток: ~5,9 эВ (косвенный)

• Плотность: ~2,1 г/см^3

Связанная статья: Каковы характеристики гексагонального нитрида бора?

Теплофизические и химические свойства

h-BN демонстрирует уникальное сочетание теплопроводности, термостабильности и химической стойкости:

• Теплопроводность: До 200-400 Вт/м-К в плоскости; значительно ниже вне плоскости.

• Тепловое расширение: Анизотропное; ~2 × 10^-6 K^-1 в плоскости, выше вне плоскости.

• Химическая стабильность: Инертен к большинству кислот и щелочей, стабилен на воздухе до ~1000 °C.

• Смазываемость: Низкий коэффициент трения, стабильность в вакууме и окислительных средах.

Эти свойства делают h-BN пригодным для использования в сложных условиях, сочетающих тепло, окисление и износ.

Методы синтеза

Маршрут синтеза гексагонального нитрида бора (h-BN) напрямую определяет качество его структуры, размер граней, контроль толщины и плотность дефектов - все это влияет на его пригодность для использования в электронных, тепловых и механических приложениях. В целом методы синтеза можно разделить на нисходящие стратегии эксфолиации и восходящие методы химического роста.

Методы "сверху вниз

Эти подходы начинаются с получения объемного h-BN и уменьшения его толщины до тонких чешуек или листов с несколькими слоями.

Механическое отшелушивание
Этот метод, часто называемый "скотчем", предполагает физическое отслаивание слоев от объемного кристалла h-BN с помощью адгезивных материалов. Преимущество метода заключается в высокой кристалличности и низкой плотности дефектов получаемых чешуек, которые идеально подходят для фундаментальных исследований или высокопроизводительных двумерных устройств. Однако этот процесс является ручным, трудоемким и по своей сути малопроизводительным, что делает его непригодным для крупномасштабного или коммерческого производства.

Жидкофазное отшелушивание (LPE)
Для расслаивания объемного h-BN на несколько слоев нанолистов используется ультразвук или высокоскоростное перемешивание в подходящих растворителях (например, N-метил-2-пирролидоне, изопропаноле или водных растворах ПАВ). Этот процесс обладает более высокой производительностью, чем механическое отшелушивание, и масштабируется до уровня грамма и выше. Однако в процессе часто возникают структурные дефекты, окисление краев или фрагментация листов, что может ухудшить электрические и механические свойства. Для отбора чешуек нужной толщины и распределения по размерам после отшелушивания обычно используется центрифугирование.

Проблемы, связанные с методами "сверху вниз":

• Контроль над боковыми размерами и толщиной остается ограниченным.

• Сложно полностью удалить поверхностно-активные вещества или растворители.

• Высокая плотность дефектов в LPE может ограничивать тепловые и электронные характеристики.

Методы "снизу вверх

Методы "снизу вверх" позволяют контролировать рост пленки на атомном уровне и являются предпочтительными, когда важны однородность, точность толщины и интеграция.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
CVD - наиболее перспективный метод синтеза нескольких слоев или монослоев h-BN в масштабах пластины. Обычные прекурсоры включают:

• Аммиачный боран (NH3-BH3): Генерирует BN путем термического разложения.

• Боразин (B3N3H6): Циклическое соединение с уже имеющимися связями B-N, обеспечивающее более высокую степень кристалличности.

• Также были исследованыB-трихлорборазин (B3N3Cl3) и смеси диборана с аммиаком.

Рост обычно происходит на подложках из переходных металлов, таких как медь, никель или железная фольга, при температуре от 900 °C до 1100 °C. Тип подложки влияет на плотность зарождения, размер зерен и выравнивание. Для интеграции h-BN на изолирующие или полупроводниковые поверхности требуются процессы переноса.

Ключевые параметры, влияющие на качество CVD:

• Скорость потока прекурсора и его чистота

• Давление в камере (CVD при низком давлении дает более крупные домены)

• Кристалличность и ориентация подложки

• Скорость охлаждения после роста (влияет на формирование границ зерен).

Керамика на основе полимеров (PDC)
Синтез PDC включает пиролиз бор- и азотсодержащих полимерных прекурсоров, таких как полиборазилен или поли[B-трихлорборазин]. В контролируемой атмосфере (часто аммиачной или азотной) эти прекурсоры разлагаются на керамику из нитрида бора. Этот метод подходит для изготовления объемных или формованных h-BN-компонентов, таких как тигли, изоляторы или покрытия. Процесс допускает интеграцию с волокнистыми армирующими элементами или пористыми подложками, что делает его идеальным для создания структурных композитов.

Преимущества PDC:

• Точный стехиометрический контроль

• Возможность придания индивидуальной формы перед пиролизом

• Возможность получения плотной, непористой керамики для механического и термического использования.

Резюме и компромиссы

Области применения

Электроника и изоляционные системы
Будучи атомарно плоским изолятором с высокой диэлектрической прочностью, h-BN широко используется в двумерных электронных устройствах в качестве затворного диэлектрика, подложки или инкапсулирующего слоя, особенно в гетероструктурах на основе графена и ТМД.

Высокотемпературные компоненты
Благодаря устойчивости к тепловым ударам и инертности h-BN используется в компонентах печей, тиглей и в аэрокосмической промышленности, например, в системах тепловой защиты.

Твердые смазочные материалы и покрытия
h-BN сохраняет смазочные свойства при высоких температурах и на воздухе, обеспечивая преимущества перед графитом в окислительных средах, таких как обработка металлов давлением и аэрокосмические узлы.

Полимерные и керамические композиты
Включение h-BN в полимеры или керамику улучшает теплопроводность и стабильность размеров, сохраняя при этом электроизоляцию. Типичные области применения включают материалы для тепловых интерфейсов (TIM) и структурные изоляторы.

Фотоника и УФ-оптика
Высокая оптическая прозрачность h-BN в ультрафиолете и его фонон-поляритонное поведение перспективны для фотоники глубокого ультрафиолета и нелинейно-оптических приложений.

6. Заключение

Гексагональный нитрид бора обладает редким сочетанием широкой полосы пропускания, высокой теплопроводности и отличной химической стойкости. Его анизотропная структура и совместимость с другими двумерными материалами делают его важным строительным блоком для электроники, оптики и тепловых систем нового поколения. Текущие исследования расширяют возможности его интеграции в..:

• Масштабируемые платформы 2D-материалов на основе CVD

• Высокопроизводительные композиты со специальными интерфейсами

• Оптические устройства, использующие гиперболическую дисперсию фононов.

Stanford Advanced Materials (SAM) поставляет высокочистые порошки h-BN, покрытия и спеченные формы для промышленных и исследовательских применений. Свяжитесь с нашей технической группой, чтобы узнать, как наши материалы на основе нитрида бора могут быть использованы в вашем следующем проекте.