Hexagonales Bornitrid als Substrat für 2D-Materialien

Mit der zunehmenden Beliebtheit von 2D-Materialien in elektronischen und optoelektronischen Anwendungen führte die Suche nach einem effizienten Substrat zur Erforschung HBNDa die konventionellen Substrate Auswirkungen auf die Qualität des angebauten 2DM hatten, HBN als bessere Alternative erwiesen. Lassen Sie uns prüfen, was macht Hexagonales Bornitrid ein besseres Substrat?

Was ist Bornitrid (BN)? Ist Bornitrid eine Verbindung?

Wissen Bornitrid (BN) Ebenso wichtig ist es, die Eigenschaften der Chemie zu erlernen, bevor man weitermacht. Bornitrid ist eine chemische Verbindung, die kristallin ist und aus Bor und Stickstoff besteht. Bornitrid-Formel ist „BN“. Die BN-Molekül ist isoelektronisch zu Kohlenstoff, d. h. es weist eine ähnliche Struktur und elektronische Konfiguration auf, unterscheidet sich jedoch in der Elementanordnung. 

Bornitrid (BN)-Struktur

Kenntnis der strukturellen Besonderheit von Bornitrid hilft uns, die Funktionalität des HBN besser.

Die Struktur von Bornitrid lässt sich hauptsächlich in drei Typen unterteilen: amorph, hexagonal, kubisch und Wurtzit.

1. Amorphes Bornitrid – ABN-Struktur

Amorphe Form von Bornitrid ist desorientiert und entspricht Kohlenstoff. Sie weisen keine Regelmäßigkeit in der Anordnung der Atome auf oder haben, kurz gesagt, keine strukturelle Konfiguration. Anders als ABN sind alle anderen Formen von Bornitrid folgen Sie der kristallinen Struktur.

2. Hexagonales Bornitrid – HBN-Struktur

HBN, bekannt als weißes Graphen, gilt als extrem stabil mit geschichteter Struktur. Die Schichten in der Struktur werden durch Van-der-Waals-Anziehungskräfte zusammengehalten. Das BN-Verbindung in jeder Schicht vorhanden ist, ist durch kovalente Bindungen an die Schicht gebunden. Schauen Sie sich die Struktur von Hexagonales Bornitrid unten angegeben.

Kommen wir zur Monoschicht von HBN, die Monoschicht aus Hexagonales Bornitrid   ist Graphen sehr ähnlich. Es weist eine wabenartige Struktur mit ähnlichen Abmessungen auf. Im Gegensatz zu Graphen ist es nicht schwarz, sondern weiß. HBN fungiert als Material als besserer elektrischer Isolator.

3. Kubisches Bornitrid – CBN-Struktur

In Sachen Stabilität kubisches Bornitrid tendenziell weniger stabil als die von HBN. Die Umwandlungsrate zwischen den Strukturen bei Raumtemperatur ist jedoch vergleichsweise vernachlässigbar. Ein Referenzbild der Struktur von CBN ist unten dargestellt. Die Sphaleritstruktur von Kubisches Bornitrid ist analog zu Diamant

4. Wurtzit-Bornitrid-WBN-Struktur

WBN folgt einer Bootskonfiguration, bei der die BN-Verbindung bildet einen 6-gliedrigen Ring, wie im Bild dargestellt. Die Struktur von Wurtzit Bornitrid ist analog zum Polymorph von Kohlenstoff, bekannt als Lonsdalait. Die Härte von Wurtzit Bornitrid wird auf einen Bereich von 46 GPa geschätzt.

Eigenschaften von Bornitrid: Ein kurzer Überblick

Die folgende Tabelle fasst die wichtigen Eigenschaften von zusammen Bornitrid bezogen auf unterschiedliche Strukturen: amorph, Wurtzit, kubisch und hexagonal.

Was ist Hochleistungskeramik? Gehört HBN dazu?

Bevor wir uns mit den Besonderheiten von HBN Erfahren Sie mehr über Hochleistungskeramik. Hochleistungskeramik ist, wie der Name schon sagt, eine hochwertige Keramik der neuen Generation mit konkurrenzfähigen Eigenschaften gegenüber herkömmlicher Keramik. Sie ist thermisch stabil, besitzt einen hervorragenden elektrischen Widerstand, ist chemisch inert und weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, ähnlich wie Metalle. Einige der beliebtesten Hochleistungskeramikmaterialien sind unten aufgeführt:

Aluminiumoxid

Aluminiumoxid ist eine weit verbreitete Hochleistungskeramik aus Aluminiumoxid. Die ionischen interatomaren Bindungen in der Aluminiumoxidstruktur machen sie extrem stabil. Sie sind gute elektrische Isolatoren. Aluminiumoxidkeramik bietet eine gute Verschleißfestigkeit und ist mechanisch belastbar. Sie wird in Lithium-Ionen-Batterien, Pumpenmaterialien, Zündkerzen, Automobilsensoren und elektrischen Isolierungen verwendet.

Siliziumkarbid (SiC)

Siliziumkarbid (SiC) entsteht durch Sintern von Hartmetallkörnern. Die Keramik ist für ihre extreme Härte bekannt. SiC kommt natürlicherweise in Moissanit vor. Siliziumkarbid wird aufgrund seiner hohen Spannungsfestigkeit häufig in der Elektroindustrie eingesetzt. Dank seiner Härte eignet sich die Keramik für Fahrzeugbremsen, Panzerungen und Kupplungen.

Zirkonoxidkeramik

Zirkonoxidkeramik weist im Vergleich zu anderen Keramiken eine gute Bruchzähigkeit auf. Zirkonoxid gibt es in verschiedenen stabilisierten Qualitäten, beispielsweise als Yttrium- oder Magnesiumoxid-stabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkonoxid. Sie werden häufig in Dentalkeramiken und in der Regel in Kombination mit Metallen eingesetzt.

Siliziumnitrid

Siliziumnitrid gilt als oxidationsbeständig und beständig gegen starke Temperaturgradienten. Es wird in verschiedenen Strukturanwendungen eingesetzt. Die Eigenschaften von SiC machen es zu einem nützlichen Bestandteil von Motoren. Es wird zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet, und seine Biokompatibilität macht es zu einem nützlichen Werkstoff für Zahn- und medizinische Implantate.

Bornitrid (BN) als Hochleistungskeramik

Bornitrid, gilt als bearbeitbare Hochleistungskeramik. Sie bieten eine gute Wärmeleitfähigkeit, Schmierfähigkeit, höhere dielektrische Festigkeit und eine geringere Dielektrizitätskonstante. Bornitrid wird aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit Graphen auch als weißes Graphen bezeichnet. Es ist ein guter elektrischer Isolator und widersteht auch höheren Oxidationstemperaturen.

Wie bereits erwähnt, Bornitrid kommt in verschiedenen Strukturkonfigurationen vor. Die Eigenschaften der gängigen BN-Typen sind nachstehend aufgeführt:

1. Kubisches Bornitrid

Kubisches Bornitrid hat eine Härte von etwa 4500 kg pro mm2, was mit Diamant vergleichbar ist. Es wird durch Hochtemperatur- und Druckkompression von Hexagonales BornitridDie thermische Stabilität, die Wärmeleitfähigkeit und der elektrische Widerstand von Kubisches Bornitrid gelten als höher.

Bei Verwendung mit Legierungen aus Nickel, Eisen oder anderen Verbindungen bleibt kubisches Bornitrid inert. Die extreme Härte von Kubisches Bornitrid Dadurch eignen sie sich besser als Schleifwerkzeuge. Sie werden auch in Automobilen als Motorteile und Kühlkörper für elektronische Geräte verwendet und sind gute elektrische Isolatoren.

2. Hexagonales Bornitrid (HBN)

Kenntnis der Eigenschaften von HBN Da es sich um eine Hochleistungskeramik handelt, ist es sehr wichtig, sie in Anwendungen einzusetzen. H Bornitrid ist eine stabile Keramik mit einer einzigen zweidimensionalen Schicht, ähnlich wie Graphen. Sie ist thermisch bis zu einer Lufttemperatur von 1000 °C stabil und hält unter Vakuumbedingungen sogar noch höheren Temperaturen stand. Sie ist chemisch inert und resistent gegenüber Säuren, zersetzt sich jedoch in geschmolzenen Salzen und alkalischen Verbindungen.

Die Nanobänder von HBN hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1700 W/mK bis 2000 W/mK. Sie werden häufig als Substrate und Batteriematerialien verwendet und sind in thermischen Anwendungen weit verbreitet.

HBN als ideales Substrat für 2D-Materialien

Der jüngste Fortschritt wurde begrüßt HBN ein perfektes Substrat für 2D-Materialien. Bevor wir fortfahren, wollen wir untersuchen, was 2D-Materialien sind.

2D-Materialien sind einschichtige Materialien im Nanomaßstab. Sie werden durch Techniken wie chemische Gasphasenabscheidung oder mechanische und flüssige Exfoliation hergestellt. Die Besonderheiten von einschichtige Materialien (2DM) umfassen Folgendes:

• 2DM hat eine höhere Zugfestigkeit.

• 2DM bietet ein höheres Flächen-Volumen-Verhältnis, wodurch die Kontaktzeit der chemischen Reaktanten verlängert wird.

• Sie verfügen über hervorragende optische, mechanische und elektrische Eigenschaften

HBN als ideales Substrat für 2D-Materialien

Die gängige Herstellungstechnik zur Herstellung von 2D-Materialien ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Das Verfahren nutzt eine beheizte Kammer, in der die Reaktion bei kontrolliertem Druck, Temperatur und festgelegter Zeit abläuft. Die Atome treffen unter den Prozessbedingungen auf das Substrat und bilden darauf 2D-Materialien. Die moderne Materialwissenschaft bevorzugt HBN als 2DM-Substrat in photonischen und elektronischen Geräten aufgrund der unten aufgeführten Vorteile.

Allgemeine Vorteile von HBN

Hexagonales Bornitrid hat klare Vorteile gegenüber herkömmlichen SiO2/Si-Substraten. Die thermische Stabilität bei erhöhten Temperaturen sowie die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sind die wichtigsten Vorteile. Die einschichtige Struktur von HBN mit BN-Verbindung kovalent gebundene Verbindungen können manipuliert werden, was den CVD-Prozess unterstützt. Die strukturelle Stabilität von Hexagonales Bornitrid ist ein weiterer Schlüsselfaktor.

Morphologische Vorteile von HBN

Die auf konventionellem SiO2/Si synthetisierten 2D-Materialien sind minderwertig und stark ungeordnet. Architektur und Funktionalität werden beeinträchtigt, wenn das Substrat ineffizient wird. Hexagonales Bornitrid bietet dagegen eine glatte, flache Atomoberfläche ohne Ladungsfallen im Gegensatz zu anderen Substraten. Die Gitterkonstante von HBN ist Graphen ähnlich, was die 2DM-Synthese von Graphengeräten rechtfertigt.

Die Defektdichte von Hexagonales Bornitrid ist vergleichsweise geringer. Die Vander-Wall-Kräfte in HBN Schichten gewährleisten auch das Wachstum von 2DM, das keine Eigenschaftsabweichungen zu HBN aufweist. Einige der bekannten Ergebnisse der Verwendung HBN gehören die Entwicklung von überlegenem Graphen-2DM mit hoher Mobilität. Mit HBN Als Substrat wird ein kontrolliertes Wachstum von 2DM beobachtet, das die Effizienz der Geräte erhöht.

Abschluss

Die Funktionalität von H Bornitrid ist im Vergleich zu herkömmlichen Substraten überwältigend. Die Ähnlichkeit der Atomstruktur mit Materialien wie Graphen hat zur Synthese wettbewerbsfähiger 2DMs geführt. HBN ermöglicht mit seiner schwachen Kraft zwischen den Schichten die Herstellung einer Vielzahl von 2D-Materialien, was sie zu einem wertvollen modernen Substrat macht.