Heksagonalny azotek boru stosowany jako podłoże dla materiałów 2D

Wraz ze wzrostem popularności materiałów 2D w zastosowaniach elektronicznych i optoelektronicznych, poszukiwania wydajnego podłoża doprowadziły do badań HBNPonieważ konwencjonalne podłoża miały wpływ na jakość hodowanego 2DM, HBN okazało się lepszą alternatywą. Sprawdźmy, co sprawia, że Heksagonalny azotek boru lepsze podłoże?

Czym jest azotek boru (BN)? Czy azotek boru jest związkiem chemicznym?

Porozumiewawczy Azotek boru (BN) Równie ważna jest znajomość chemii, zanim zaczniemy poznawać jej właściwości. Azotek boru jest związkiem chemicznym o strukturze krystalicznej, składającym się z boru i azotu. Wzór azotku boru jest „BN”. Cząsteczka BN jest izoelektroniczny z węglem, tzn. ma podobną strukturę i konfigurację elektroniczną, ale różni się rozmieszczeniem pierwiastków. 

Struktura azotku boru (BN)

Znajomość specjalizacji strukturalnej Azotek boru pomaga nam wyjaśnić funkcjonalność HBN lepsza.

Istnieją trzy główne typy struktury azotku boru: amorficzna, heksagonalna, sześcienna i wurcytowa.

1. Amorficzny azotek boru – struktura ABN

Amorficzna forma Azotek boru Jest zdezorientowany i jest równoważny z węglem. Nie wykazują regularności w ułożeniu atomów lub, krótko mówiąc, nie mają żadnej konfiguracji strukturalnej. Poza ABN, wszystkie inne formy Azotek boru śledzić strukturę krystaliczną.

2. Sześciokątny azotek boru - struktura HBN

HBN, znany jako biały grafen, jest uważany za niezwykle stabilny i ma strukturę warstwową. Warstwy w strukturze są utrzymywane razem przez siłę przyciągania Vander Waalsa. Związek BN obecny w każdej warstwie jest połączony z warstwą wiązaniami kowalencyjnymi. Spójrz na strukturę Heksagonalny azotek boru podane poniżej.

Przechodząc do monowarstwy HBN, monowarstwa Heksagonalny azotek boru   Jest dość podobny do grafenu. Ma strukturę plastra miodu o podobnych wymiarach. W przeciwieństwie do grafenu nie jest czarny, lecz biały. HBN jako materiał pełni funkcję lepszych izolatorów elektrycznych.

3. Sześcienny azotek boru – struktura CBN

Pod względem stabilności sześcienny azotek boru ma tendencję do bycia mniej stabilnym niż HBN. Jednakże szybkość konwersji między strukturami w temperaturze pokojowej jest stosunkowo niewielka. Poniżej przedstawiono obraz referencyjny przedstawiający strukturę CBN. Struktura sfalerytu Sześcienny azotek boru jest analogiczny do diamentu

4. Wurcyt Azotek Boru - struktura WBN

WBN podąża za konfiguracją łodzi, w której Związek BN Tworzy pierścień sześcioczłonowy, jak pokazano na rysunku. Struktura wurcytu azotek boru jest analogiczny do polimorfu węgla znanego jako lonsdalait. Twardość wurcytu Azotek boru szacuje się na około 46 GPa.

Właściwości azotku boru: szybki przegląd

Poniższa tabela podsumowuje ważne właściwości Azotek boru dotyczące różnej struktury: amorficznej, wurcytowej, sześciennej i heksagonalnej.

Czym jest ceramika zaawansowana? Czy HBN jest jednym z nich?

Zanim przejdziemy do specjalności HBN Jako zaawansowana ceramika, dowiedzmy się więcej o tym, czym jest zaawansowana ceramika. Jak sama nazwa wskazuje, ceramika zaawansowana to wysokiej jakości ceramika nowej generacji, która oferuje konkurencyjne właściwości w porównaniu z tradycyjną ceramiką. Jest stabilna termicznie, charakteryzuje się wyższą rezystancją elektryczną, jest chemicznie obojętna i charakteryzuje się wyższą przewodnością cieplną, podobną do metali. Poniżej przedstawiono niektóre z popularnych materiałów z grupy zaawansowanej ceramiki:

Glinka

Tlenek glinu to powszechnie stosowana, zaawansowana ceramika zbudowana z tlenku glinu. Jonowe wiązania międzyatomowe obecne w strukturze tlenku glinu zapewniają jej wyjątkową stabilność. Jest dobrym izolatorem elektrycznym. Ceramika glinowa charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie i rozdarcia oraz wytrzymałością mechaniczną. Jest stosowana w akumulatorach litowo-jonowych, materiałach pomp, świecach zapłonowych, czujnikach samochodowych oraz izolacji elektrycznej.

Węglik krzemu (SiC)

Węglik krzemu (Sic) powstaje w procesie spiekania ziaren węglika. Ceramika ta znana jest ze swojej ekstremalnej twardości. Naturalnie SiC występuje w moissanite. Węglik krzemu jest powszechnie stosowany w elektrotechnice ze względu na wysoką wytrzymałość na wysokie napięcia. Twardość ceramiki sprawia, że nadaje się ona do stosowania w hamulcach samochodowych, osłonach i sprzęgłach.

Ceramika cyrkonowa

Ceramika cyrkonowa charakteryzuje się dobrą odpornością na pękanie w porównaniu z innymi materiałami ceramicznymi. Stabilizowany cyrkon występuje w różnych klasach, takich jak cyrkon stabilizowany tlenkiem ytru lub magnezu, a także cyrkon częściowo stabilizowany. Jest on często stosowany w ceramice dentystycznej i zazwyczaj w połączeniu z metalami.

Azotek krzemu

Azotek krzemu jest uważany za odporny na utlenianie i udarowe gradienty temperatur. Jest wykorzystywany w wielu zastosowaniach konstrukcyjnych. Właściwości SiC sprawiają, że nadaje się do produkcji elementów silników. Jest również wykorzystywany do produkcji narzędzi skrawających, a biozgodność sprawia, że może być stosowany jako implant stomatologiczny i medyczny.

Azotek boru (BN) jako zaawansowana ceramika

Azotek boru, jest uważany za zaawansowany materiał ceramiczny, nadający się do obróbki mechanicznej. Oferuje dobrą przewodność cieplną, smarowność, wyższą wytrzymałość dielektryczną i niższą stałą dielektryczną. Azotek boru Jest również znany jako biały grafen ze względu na strukturalne podobieństwo do grafenu. Jest dobrym izolatorem elektrycznym i odporny na wysokie temperatury utleniania.

Jak już wcześniej omówiono, Azotek boru występuje w różnych konfiguracjach strukturalnych. Właściwości popularnych typów BN podano poniżej:

1. Sześcienny azotek boru

Sześcienny azotek boru Ma twardość około 4500 kg na mm², co jest porównywalne z diamentem. Jest wytwarzany przez kompresję w wysokiej temperaturze i pod ciśnieniem. Heksagonalny azotek boruStabilność cieplna, przewodność cieplna i rezystywność elektryczna Sześcienny azotek boru są uważane za wyższe.

W połączeniu ze stopami niklu, żelaza lub innymi związkami, sześcienny azotek boru ma tendencję do pozostawania obojętnym. Ekstremalna twardość Sześcienny azotek boru Sprawia, że działają lepiej jako narzędzia szlifierskie. Są również stosowane w samochodach jako części silników, radiatory urządzeń elektronicznych i są dobrymi izolatorami elektrycznymi.

2. Heksagonalny azotek boru (HBN)

Znajomość właściwości HBN jako zaawansowana ceramika jest bardzo ważna przed jej wykorzystaniem w aplikacjach. H Azotek boru to stabilna ceramika, która ma pojedynczą dwuwymiarową warstwę podobną do grafenu. Są one stabilne termicznie do temperatury powietrza 1000°C, a w warunkach próżni wytrzymują jeszcze więcej. Są z natury chemicznie obojętne i wytrzymują działanie kwasów, ale ulegają degradacji w stopionych solach i związkach alkalicznych.

Nanowstążki HBN Posiadają zakres przewodności cieplnej od 1700 W/mK do 2000 W/mK. Są często stosowane jako podłoża, materiały akumulatorowe i dość powszechnie stosowane w zastosowaniach termicznych.

HBN jako idealne podłoże dla materiałów 2D

Ostatni postęp został pochwalony HBN będąc idealnym podłożem dla materiałów 2D. Zanim przejdziemy dalej, przyjrzyjmy się bliżej, czym są materiały 2D?

Materiały 2D są materiały jednowarstwowe Istniejące w skali nano. Są wytwarzane technikami takimi jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej lub mechaniczne i płynne złuszczanie. Specjalizacje materiały jednowarstwowe (2DM) obejmuje następujące elementy:

• 2DM ma wyższą wytrzymałość na rozciąganie.

• Technologia 2DM zapewnia większy stosunek powierzchni do objętości, co pozwala na dłuższy czas kontaktu odczynników chemicznych.

• Posiadają doskonałe właściwości optyczne, mechaniczne i elektryczne

HBN jako idealne podłoże dla materiałów 2D

Popularną techniką produkcji stosowaną do przygotowywania materiałów 2D jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). Proces ten wykorzystuje ogrzewaną komorę, w której reakcja zachodzi pod kontrolowanym ciśnieniem, w określonej temperaturze i przez ustalony czas. Atomy w warunkach procesu uderzają w podłoże, tworząc na nim materiały 2D. Współczesna materiałoznawstwo preferuje HBN jako podłoże 2DM w urządzeniach fotonicznych i elektronicznych ze względu na zalety wymienione poniżej.

Ogólne zalety HBN

Heksagonalny azotek boru Ma oczywiste zalety w porównaniu z konwencjonalnymi podłożami SiO₂/Si. Stabilność termiczna w podwyższonych temperaturach oraz odporność na utlenianie i korozję to główne zalety. Jednowarstwowa struktura HBN z Związek BN połączone wiązaniami kowalencyjnymi można manipulować, co wspomaga proces CVD. Stabilność strukturalna Heksagonalny azotek boru jest kolejnym kluczowym czynnikiem.

Morfologiczne zalety HBN

Materiały 2D syntetyzowane na konwencjonalnym SiO₂/Si są gorszej jakości i charakteryzują się znaczną nieuporządkowaną strukturą. Architektura i funkcjonalność ulegają pogorszeniu, gdy podłoże staje się nieefektywne. Heksagonalny azotek boru Z drugiej strony, w przeciwieństwie do innych substancji, oferuje gładką, płaską powierzchnię atomową bez pułapek ładunkowych. Stała sieci HBN jest podobny do grafenu, co uzasadnia syntezę 2DM urządzeń grafenowych.

Gęstość defektów Heksagonalny azotek boru jest stosunkowo mniejsza. Siły ścian Vandera obecne w HBN Warstwy zapewniają również wzrost 2DM, który ma wszelkie niezgodności właściwości z HBN. Niektóre ze znanych rezultatów zastosowania HBN obejmują opracowanie lepszego grafenu 2DM o wysokiej ruchliwości. Z HBN jako podłoże obserwuje się kontrolowany wzrost 2DM, co zwiększa wydajność urządzeń.

Wniosek

Funkcjonalność H Azotek boru jest przytłaczająca w porównaniu z konwencjonalnymi podłożami. Podobieństwo struktury atomowej do materiałów takich jak grafen doprowadziło do syntezy konkurencyjnych 2DM. HBN ze względu na słabą siłę między warstwami umożliwiają produkcję różnorodnych materiałów 2D, co czyni je nowoczesnym podłożem o wysokiej wartości.