Новости

May 16, 2023

За пределами графена: исключительная сила двух

По мере развития технологий учёные ищут новые материалы, отвечающие требованиям

По мере развития технологий ученые ищут новые материалы, отвечающие требованиям нашего постоянно меняющегося мира. Одной из наиболее многообещающих категорий являются двумерные (2D) материалы толщиной всего в несколько атомов. Среди них нитрид бора (BN), неорганическое соединение, состоящее из равного числа атомов бора и азота, в настоящее время является предметом многочисленных исследований и разработок. BN — уникальный материал, свойства которого могут варьироваться в зависимости от расположения атомов B и N.

Различные формы BN изоструктурны углеродным материалам. Кубическая форма BN (c-BN) имеет кристаллическую структуру, аналогичную структуре алмаза, а гексагональная структура BN (h-BN), которая является наиболее стабильной кристаллической формой, напоминает графит. Из-за этой изоструктурной особенности h-BN также называют «белым графитом». Это слоистый материал, в каждом слое которого атомы азота и бора прочно связаны ковалентными связями в сотовой решетке. Слои удерживаются вместе благодаря слабым взаимодействиям — силам Ван-дер-Ваальса. Однако межслоевое расположение этих листов отличается от модели, наблюдаемой для графита, поскольку атомы расположены в шахматном порядке, что приводит к нескольким политипам, наиболее известным после h-BN является ромбоэдрический (r-BN). В h-BN атомы B находятся над атомами N. Эта структура обеспечивает чрезвычайно стабильный керамический материал с высокой теплопроводностью, который также является отличным электрическим изолятором со сверхширокой запрещенной зоной около 6 эВ. В последние годы, с появлением графена1 и последующим прогрессом исследований одно- и многослойных графитовых нанолистов, возрос интерес к 2D h-BN.

Обладая той же сотовой структурой и параметрами решетки, удивительно близкими к параметрам графита2, его часто считают идеальной изолирующей подложкой для графена и лучшим барьерным материалом в гетероструктурах VdW.3 Все эти свойства делают h-BN идеальным для использования в электроника, фотоника и оптоэлектроника, где его можно использовать для создания разнообразных устройств, в том числе транзисторов, фотоприемников и датчиков. В результате h-BN стал ключевым материалом в двумерных исследованиях материалов и многообещающим кандидатом для будущих технологических инноваций.4

По всем этим причинам становится все более важным разработать эффективные и экономически выгодные методы синтеза листов h-BN. H-BN не встречается в природе, поскольку его синтез представляет собой сложный процесс из-за высокой реакционной способности его компонентов, которые необходимо объединять в определенных соотношениях при экстремальных температурах и давлениях, чего может быть сложно достичь. Таким образом, BN производится только синтетическим путем, в основном из чистого бора, борной кислоты (H3BO3)5 или триоксида бора (B2O3).

В последние годы были разработаны другие методы синтеза 2D-наноструктур h-BN. Можно выделить два основных подхода: подход «снизу вверх» и подход «сверху вниз». Подход «снизу вверх» предполагает выращивание или сборку наноструктур BN из небольших строительных блоков. Этими строительными блоками могут быть как неорганические, так и органические молекулы. Например, нанолисты h-BN могут быть синтезированы из молекул боразина (B3N3H6) с использованием химического осаждения из паровой фазы (CVD) — химического процесса, в котором паровая фаза используется для нанесения тонкой пленки материала на подложку. Боразин обычно подают в высокотемпературный реактор, где он разлагается с образованием слоев h-BN на подложке. Пленки h-BN, осажденные методом CVD, в основном являются поликристаллическими с размером зерна обычно несколько десятков микрометров и треугольной формой. Можно получить отложения в масштабе пластины, но часто необходимо перенести их на целевую подложку для интеграции в промышленный процесс. С другой стороны, метод «сверху вниз» предполагает использование уже существующего объемного материала h-BN, а затем постепенное уменьшение его размера до достижения желаемой толщины. Этот подход обычно используется для производства нанолистов h-BN с использованием химического или механического расслаивания, чтобы разрушить силы Ван-дер-Ваальса между гексагональными слоями и физически отделить полученные двумерные листы h-BN от объемного материала. Даже если размер расслаивающихся структур обычно уменьшен и их выход может быть небольшим, исходное качество исходного объемного материала после отшелушивания сохраняется. Поэтому важно иметь большие (порядка нескольких миллиметров) монокристаллические источники h-BN в качестве исходных материалов для расслаивания 2D-листов h-BN, которые можно в дальнейшем интегрировать в коммерческие устройства. Однако получение кристаллов размером до миллиметра остается сложной задачей.