Нанолист нитрида бора

Двухслойный нанолист BN.

Изображения с атомным разрешением нанолиста BN, полученные методом CVD.

Нанолист нитрида бора представляет собой кристаллическую форму гексагонального нитрида бора (h-BN), имеющую толщину в один атом. По геометрии, а также физическим и термическим свойствам он похож на свой углеродный аналог графен , но имеет совершенно другие химические и электронные свойства – в отличие от черного и высокопроводящего графена, нанолисты BN являются электрическими изоляторами с запрещенной зоной ~ 5,9 эВ, и, следовательно, кажутся белыми по цвету.

Однородные одноатомные нанолисты BN можно наносить каталитическим разложением боразина при температуре ~ 1100 ° C в установке химического осаждения из паровой фазы на площади подложки размером примерно до 10 см. ² . Благодаря гексагональной атомной структуре, небольшому несовпадению решетки с графеном (~2%) и высокой однородности они используются в качестве подложек для устройств на основе графена.

Структура

Нанолисты BN состоят из sp ² -сопряженные атомы бора и азота , образующие сотовую структуру. Они содержат два разных края: кресло и зигзаг. Край кресла состоит из атомов бора или азота, а зигзагообразный край состоит из чередующихся атомов бора и азота. Эти двумерные структуры могут накладываться друг на друга и удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, образуя многослойные нанолисты нитрида бора. В этих структурах атомы бора одного листа расположены сверху или снизу атомов азота из-за электронодефицитной природы бора и богатой электронами природы азота.

Синтез

Смотрите также: Синтез гексагонального нитрида бора.

ССЗ

Химическое осаждение из паровой фазы является наиболее распространенным методом производства нанолистов BN, поскольку это хорошо отработанный и хорошо контролируемый процесс, позволяющий получать высококачественный материал на площадях, превышающих 10 см. ² . Существует широкий спектр предшественников бора и нитрида для синтеза CVD, таких как боразин , и их выбор зависит от токсичности. стабильность, реактивность, и природа метода CVD.

Механическое расщепление

Типичная электронная микрофотография нанолистов BN, полученных методом шаровой мельницы (шкала 50 нм).

В методах механического расщепления нитрида бора используются силы сдвига для разрушения слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий между слоями BN. Расколотые нанолисты имеют низкую плотность дефектов и сохраняют латеральный размер исходной подложки. Вдохновленный его использованием при выделении графена, микромеханическое расщепление, также известное как метод скотча, было использовано для последовательной изоляции многослойных и однослойных нанолистов нитрида бора путем последующего отшелушивания исходного материала с помощью клейкой ленты. Недостаток этого метода в том, что он не масштабируется для крупномасштабного производства.

Листы нитрида бора также можно расслаивать с помощью шаровой мельницы , при которой сдвигающие силы прикладывают к поверхности объемного нитрида бора путем прокатки шариков. Этот метод дает большое количество материала низкого качества с плохим контролем его свойств.

Распаковка нанотрубок нитрида бора

Нанолисты BN могут быть синтезированы путем расстегивания нанотрубок нитрида бора путем интеркаляции калия или травления плазмой или инертным газом. При этом метод интеркаляции имеет относительно невысокий выход, поскольку нитрид бора устойчив к воздействию интеркалянтов. Распаковка нанотрубок нитрида бора in situ в наноленты была достигнута Ли и др.

Отшелушивание растворителем и обработка ультразвуком

Отшелушивание растворителем часто используется в тандеме с ультразвуком для выделения больших количеств нанолистов нитрида бора. Полярные растворители, такие как изопропиловый спирт. и ДМФ более эффективны при отшелушивании слоев нитрида бора, чем неполярные растворители, поскольку эти растворители обладают поверхностной энергией, аналогичной поверхностной энергии нанолистов нитрида бора. Комбинации различных растворителей также отшелушивают нитрид бора лучше, чем отдельные растворители. Многие растворители, подходящие для отшелушивания BN, довольно токсичны и дороги, но их можно заменить водой и изопропиловым спиртом без существенного ущерба для выхода.

Химическая функционализация и обработка ультразвуком

Химическая функционализация нитрида бора включает присоединение молекул к внешнему и внутреннему слоям объемного нитрида бора. Существует три типа функционализации BN: ковалентная, ионная и нековалентная. Слои отслаиваются путем помещения функционализированного BN в растворитель и позволяют силе сольватации между присоединенными группами и растворителем разрушить силы Ван-дер-Вааля между слоями BN. Этот метод немного отличается от отшелушивания растворителем, которое основано на сходстве поверхностных энергий слоев растворителя и нитрида бора.

Твердотельные реакции

Нагревание смеси прекурсоров бора и азота, таких как борная кислота и мочевина , может привести к образованию нанолистов нитрида бора. Количество слоев в этих нанолистах контролировалось температурой (около 900 ˚C) и содержанием мочевины.

Свойства и применение

Механические свойства. Монослойный нитрид бора имеет средний модуль Юнга 0,865 ТПа и прочность на разрушение 70,5 ГПа. В отличие от графена, прочность которого резко снижается с увеличением толщины, малослойные листы нитрида бора имеют прочность, близкую к прочности однослойного нитрида бора.

Теплопроводность. Теплопроводность атомарно тонкого нитрида бора — одна из самых высоких среди полупроводников и электроизоляторов; оно увеличивается с уменьшением толщины из-за меньшего взаимодействия между слоями.

Термическая стабильность. Стабильность графена на воздухе демонстрирует четкую зависимость от толщины: монослойный графен реагирует с кислородом при 250 ° C, сильно легирован при 300 ° C и травится при 450 ° C; напротив, объемный графит не окисляется до 800 ° C. Атомно тонкий нитрид бора имеет гораздо лучшую стойкость к окислению, чем графен. Монослойный нитрид бора не окисляется до 700°С и выдерживает на воздухе до 850°С; Двухслойные и трехслойные нанолисты нитрида бора имеют несколько более высокие температуры начала окисления. Превосходная термическая стабильность, высокая непроницаемость для газа и жидкости, а также электрическая изоляция делают атомарно тонкий нитрид бора потенциальным материалом для покрытия для предотвращения поверхностного окисления и коррозии металлов. и другие двумерные (2D) материалы, такие как черный фосфор.

Лучшая поверхностная адсорбция. Было обнаружено, что атомарно тонкий нитрид бора обладает лучшими способностями к поверхностной адсорбции, чем объемный гексагональный нитрид бора. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, атомно-тонкий нитрид бора как адсорбент претерпевает конформационные изменения при поверхностной адсорбции молекул, увеличивая энергию и эффективность адсорбции. Синергический эффект атомной толщины, высокой гибкости, более сильной поверхностной адсорбционной способности, электроизоляции, непроницаемости, высокой термической и химической стабильности нанолистов BN может увеличить рамановскую чувствительность до двух порядков и в то же время достичь долгосрочной стабильности и исключительная возможность повторного использования, недостижимая для других материалов.

Диэлектрические свойства. Атомно тонкий гексагональный нитрид бора является превосходной диэлектрической подложкой для графена, дисульфида молибдена (MoS ₂ ) и многих других электронных и фотонных устройств на основе двумерных материалов. Как показали исследования электросиловой микроскопии (ЭСМ), экранирование электрического поля в атомарно тонком нитриде бора слабо зависит от толщины, что соответствует плавному затуханию электрического поля внутри малослойного нитрида бора, обнаруженному из первых принципов. расчеты.

Рамановские характеристики. Рамановская спектроскопия оказалась полезным инструментом для изучения различных двумерных материалов, а о рамановской сигнатуре высококачественного атомарно тонкого нитрида бора впервые сообщили Горбачев и др. и Ли и др. Однако два опубликованных результата комбинационного рассеяния монослоя нитрида бора не согласовались друг с другом. Цай и др. провел систематические экспериментальные и теоретические исследования собственного спектра комбинационного рассеяния атомарно тонкого нитрида бора. Они показывают, что в отсутствие взаимодействия с подложкой атомарно тонкий нитрид бора имеет частоту G-диапазона, аналогичную частоте объемного гексагонального нитрида бора, но деформация, вызванная подложкой, может вызвать рамановские сдвиги. Тем не менее, интенсивность комбинационного рассеяния G-диапазона можно использовать для оценки толщины слоя и качества образца.

Нанолисты BN являются электрическими изоляторами и имеют широкую запрещенную зону ~ 5,9 эВ, которую можно изменить за счет присутствия дефектов Стоуна-Уэйлса внутри структуры, путем легирования или функционализации, а также путем изменения количества слоев. Благодаря гексагональной атомной структуре, небольшому несовпадению решетки с графеном (~2%) и высокой однородности нанолисты BN используются в качестве подложек для устройств на основе графена. Нанолисты BN также являются отличными протонов проводниками . Их высокая скорость транспорта протонов в сочетании с высоким электрическим сопротивлением может привести к использованию в топливных элементах и ​​электролизе воды .