Les matériaux 2D devenant populaires dans les applications électroniques et optoélectroniques, la recherche d'un substrat efficace a conduit à explorer HBN. Comme les substrats conventionnels ont des implications sur la qualité du 2DM cultivé, HBN s'est avérée être une meilleure alternative. Voyons ce qui fait Nitrure de bore hexagonal un meilleur substrat ?
Qu'est-ce que le nitrure de bore (BN) ? Le nitrure de bore est-il un composé ?
Connaissance Nitrure de bore (BN) La chimie est tout aussi importante avant de progresser pour apprendre ses propriétés. nitrure de bore est un composé chimique de nature cristalline composé de bore et d'azote. Formule du nitrure de bore est « BN ». Le molécule de BN est isoélectronique au carbone, c'est-à-dire qu'il présente une structure et une configuration électronique similaires mais diffère dans le placement des éléments.
Structure du nitrure de bore (BN)
Connaître la spécialité structurelle de nitrure de bore nous aide à expliquer la fonctionnalité du HBN mieux.
La structure principale du nitrure de bore est de trois types : amorphe, hexagonale, cubique et wurtzite.
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Nitrure de bore amorphe – structure ABN
Forme amorphe de nitrure de bore est désorienté et est équivalent au carbone. Leur disposition atomique est irrégulière ou, en bref, leur configuration structurale est inexistante. Hormis l'ABN, toutes les autres formes de nitrure de bore suivre la structure cristalline.
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Nitrure de bore hexagonal - Structure HBN
HBN, connu sous le nom de graphène blanc, est considéré comme extrêmement stable et possède une structure en couches. Les couches de cette structure sont maintenues ensemble par la force d'attraction de Vander Waals. composé BN présent dans chaque couche est lié à la couche par des liaisons covalentes. Observez la structure de Nitrure de bore hexagonal donné ci-dessous.
Venons-en à la monocouche de HBN, la monocouche de Nitrure de bore hexagonal Il est très similaire au graphène. Sa structure en nid d'abeille présente des dimensions similaires. Contrairement au graphène, il n'est pas noir, mais blanc. Le HBN est un matériau qui offre de meilleurs isolants électriques.
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Structure du nitrure de bore cubique (CBN)
En termes de stabilité nitrure de bore cubique tend à être moins stable que celle de HBN. Cependant, le taux de conversion entre les structures à température ambiante est relativement négligeable. Une image de référence montrant la structure du CBN est donnée ci-dessous. La structure de la sphalérite nitrure de bore cubique est analogue au diamant
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Structure du nitrure de bore wurtzite -WBN
WBN suit une configuration de bateau où le composé BN forme un cycle à 6 chaînons, comme indiqué sur l'image. La structure de la wurtzite nitrure de bore est analogue au polymorphe du carbone connu sous le nom de lonsdalaïte. La dureté de la wurtzite nitrure de bore est estimée à environ 46 GPa.
Propriétés du nitrure de bore : un aperçu rapide
Le tableau ci-dessous résume les propriétés importantes de nitrure de bore appartenant à différentes structures : amorphe, wurtzite, cubique et hexagonale.
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Propriétés |
ABN |
HBN |
WBN |
CBN |
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Densité du nitrure de bore (g/cm3) |
2.3 |
2.1 |
3.5 |
3.5 |
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Conductivité thermique du nitrure de bore (W/Mk) |
3 |
600 (couche II) 30 (1 couche) |
740 |
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Bande interdite (Ev) |
5 |
6- 6.4 |
4,5 – 5,5 |
10-10.7 |
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Indice de réfraction du nitrure de bore |
1.7 |
1.8 |
2.1 |
2 |
Que sont les céramiques avancées ? Le HBN en fait-il partie ?
Avant d'aborder les spécialités de HBN En tant que céramique avancée, découvrons-en plus sur ce qu'est la céramique avancée. Comme son nom l'indique, la céramique avancée est une céramique de nouvelle génération supérieure aux propriétés compétitives par rapport aux céramiques traditionnelles. Elle est thermiquement stable, possède une résistance électrique supérieure, est chimiquement inerte et possède une conductivité thermique supérieure, comparable à celle des métaux. Voici quelques-uns des matériaux céramiques avancés les plus populaires :
Alumine
L'alumine est une céramique avancée largement utilisée, composée d'oxyde d'aluminium. Les liaisons ioniques interatomiques présentes dans sa structure lui confèrent une stabilité exceptionnelle. C'est un excellent isolant électrique. La céramique d'alumine offre une bonne résistance à l'usure et une grande résistance mécanique. Elle est utilisée dans les batteries lithium-ion, les matériaux pour pompes, les bougies d'allumage, les capteurs automobiles et l'isolation électrique.
Carbure de silicium (SiC)
Le carbure de silicium (SIC) est formé par frittage de grains de carbure. Cette céramique est réputée pour son extrême dureté. On trouve naturellement du SiC dans la moissanite. Le carbure de silicium est couramment utilisé dans les équipements électriques de puissance en raison de sa grande résistance aux hautes tensions. Sa dureté le rend idéal pour la fabrication de freins, de blindages et d'embrayages automobiles.
Céramique de zircone
La céramique en zircone présente une bonne résistance à la fracture par rapport aux autres céramiques. La zircone est disponible en différentes qualités lorsqu'elle est stabilisée, comme la zircone stabilisée à l'yttrium ou à la magnésie, ou la zircone partiellement stabilisée. Elle est souvent utilisée en céramique dentaire et généralement associée à des métaux.
nitrure de silicium
Le nitrure de silicium est réputé pour sa résistance à l'oxydation et aux forts gradients thermiques. Il est utilisé dans diverses applications structurelles. Ses propriétés le rendent idéal comme composant moteur. Il est utilisé pour la fabrication d'outils de coupe et sa biocompatibilité le rend idéal pour les implants dentaires et médicaux.
Le nitrure de bore (BN) comme céramique avancée
nitrure de bore, est considérée comme une céramique usinable et avancée. Elle offre une bonne conductivité thermique, un bon pouvoir lubrifiant, une résistance diélectrique supérieure et une constante diélectrique plus faible. nitrure de bore Également connu sous le nom de graphène blanc en raison de sa similarité structurelle avec le graphène, il est un bon isolant électrique et résiste à des températures d'oxydation plus élevées.
Comme indiqué précédemment, nitrure de bore Il existe généralement différentes configurations structurelles. Les propriétés des types courants de BN sont présentées ci-dessous :
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nitrure de bore cubique
nitrure de bore cubique Sa dureté est d'environ 4 500 kg par mm², comparable à celle du diamant. Il est fabriqué par compression à haute température et sous pression. Nitrure de bore hexagonal. La stabilité thermique, la conductivité thermique et la résistivité électrique de nitrure de bore cubique sont considérés comme étant du côté le plus élevé.
Utilisé avec des alliages de nickel, de fer ou d'autres composés, le nitrure de bore cubique a tendance à rester inerte. Sa dureté extrême nitrure de bore cubique Ils sont également utilisés dans l'automobile comme pièces de moteur, comme dissipateurs thermiques pour équipements électroniques et comme bons isolants électriques.
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Nitrure de bore hexagonal (HBN)
Connaître les propriétés de HBN car une céramique avancée est très importante avant de l'utiliser dans des applications. H Nitrure de bore Il s'agit d'une céramique stable constituée d'une seule couche bidimensionnelle similaire au graphène. Elle est thermiquement stable jusqu'à une température ambiante de 1 000 °C et résiste encore mieux sous vide. Chimiquement inerte, elle résiste aux acides, mais se dégrade dans les sels fondus et les composés alcalins.
Les nanorubans de HBN Leur conductivité thermique varie de 1 700 W/mK à 2 000 W/mK. Ils sont fréquemment utilisés comme substrats et matériaux de batteries, et sont très courants dans les applications thermiques.
Le HBN comme substrat idéal pour les matériaux 2D
Les progrès récents ont été salués HBN C'est un substrat idéal pour les matériaux 2D. Avant d'aller plus loin, voyons ce que sont les matériaux 2D.
Les matériaux 2D sont matériaux monocouches Ils existent à l'échelle nanométrique. Ils sont fabriqués par des techniques telles que le dépôt chimique en phase vapeur ou l'exfoliation mécanique et liquide. Les spécialités de matériaux monocouches (2DM) comprend les éléments suivants :
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Le 2DM a une résistance à la traction plus élevée.
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Le 2DM offre un rapport surface/volume plus élevé, ce qui permet aux réactifs chimiques d'avoir un temps de contact plus long.
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Ils ont des propriétés optiques, mécaniques et électriques suprêmes
Le HBN comme substrat idéal pour les matériaux 2D
La technique de fabrication la plus répandue pour la préparation de matériaux 2D est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ce procédé utilise une chambre chauffée où la réaction se produit à pression, température et durée déterminées. Dans ces conditions, les atomes entrent en contact avec le substrat pour former des matériaux 2D. La science moderne des matériaux privilégie cette technique. HBN en tant que substrat 2DM dans les dispositifs photoniques et électroniques en raison des mérites énumérés ci-dessous.
Avantages généraux du HBN
Nitrure de bore hexagonal présente des avantages évidents par rapport aux substrats SiO2/Si conventionnels. La stabilité thermique à haute température et la résistance à l'oxydation et à la corrosion sont ses principaux atouts. La structure monocouche de HBN avec composé BN liés par des liaisons covalentes peuvent être manipulés, ce qui facilite le processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La stabilité structurelle de Nitrure de bore hexagonal est un autre facteur clé.
Mérites morphologiques du HBN
Les matériaux 2D synthétisés sur SiO2/Si conventionnel sont de qualité inférieure et majoritairement désordonnés. Leur architecture et leur fonctionnalité sont compromises lorsque le substrat devient inefficace. Nitrure de bore hexagonal d'autre part, offre une surface atomique plane et lisse, sans pièges de charge, contrairement aux autres sous-états. La constante de réseau de HBN est similaire au graphène qui mérite la synthèse 2DM des dispositifs en graphène.
La densité des défauts de Nitrure de bore hexagonal est comparativement moindre. Les forces des murs de Vander présentes dans HBN Les couches assurent également la croissance de 2DM présentant une discordance de propriétés avec le HBN. Certains des effets connus de l'utilisation HBN comprennent le développement d'un graphène 2DM supérieur à haute mobilité. HBN en tant que substrat, une croissance contrôlée de 2DM est observée qui augmente l'efficacité des dispositifs.
Conclusion
La fonctionnalité de H Nitrure de bore est écrasant par rapport aux substrats conventionnels. La similarité de structure atomique avec des matériaux tels que le graphène a permis de synthétiser des 2DM compétitifs. HBN avec sa faible force entre les couches, il permet la production d'une variété de matériaux 2D, ce qui en fait un substrat moderne de mérite.