Bornitrid nanoark

Tvålagers BN nanoark.
Atomupplösningsbilder av ett BN nanoark framställt av CVD.

Bornitrid nanosheet är en tvådimensionell kristallin form av den hexagonala bornitriden (h-BN), som har en tjocklek på ett till få atomlager. Den liknar i geometri såväl som fysikaliska och termiska egenskaper till dess helt kol-analog grafen , men har mycket olika kemiska och elektroniska egenskaper - i motsats till den svarta och starkt ledande grafenen är BN nanosheets elektriska isolatorer med ett bandgap på ~5,9 eV, och verkar därför vita till färgen.

Enhetliga monoatomiska BN-nanoskivor kan deponeras genom katalytisk nedbrytning av borazin vid en temperatur ~1100 °C i en kemisk ångavsättningsuppställning , över substratområden upp till cirka 10 cm 2 . På grund av deras hexagonala atomstruktur, litet gitterfel överensstämmer med grafen (~2%) och hög enhetlighet används de som substrat för grafenbaserade enheter.

Strukturera

BN nanosheets består av sp 2 -konjugerade bor- och kväveatomer som bildar en bikakestruktur. De innehåller två olika kanter: fåtölj och sicksack. Fåtöljkanten består av antingen bor- eller kväveatomer, medan sicksackkanten består av alternerande bor- och kväveatomer. Dessa 2D-strukturer kan staplas ovanpå varandra och hålls av Van der Waals krafter för att bilda nanoskivor av bornitrid med få lager. I dessa strukturer är boratomerna i ett ark placerade ovanpå eller under kväveatomerna på grund av elektronbrist hos bor och elektronrik natur hos kväve.

Syntes

CVD

Kemisk ångavsättning är den vanligaste metoden för att producera BN-nanoark eftersom det är en väletablerad och mycket kontrollerbar process som ger material av hög kvalitet över ytor som överstiger 10 cm 2 . Det finns ett brett utbud av bor- och nitridprekursorer för CVD-syntes, såsom borazin , och deras val beror på toxicitet, stabilitet, reaktivitet och arten av CVD-metoden.

Mekanisk klyvning

Ett typiskt elektronmikrofoto av BN-nanoark framställda genom kulfräsning (skala bar 50 nm).

Mekaniska klyvningsmetoder för bornitrid använder skjuvkrafter för att bryta de svaga van der Waals-interaktionerna mellan BN-skikten. Klyvda nanoskivor har låga defektdensiteter och behåller sidostorleken på det ursprungliga substratet. Inspirerad av dess användning vid isolering av grafen, har mikromekanisk klyvning, även känd som Scotch-tejpmetoden, använts för att konsekvent isolera fålagers och monolager bornitrid nanoark genom efterföljande exfoliering av utgångsmaterialet med tejp. Nackdelen med denna teknik är att den inte är skalbar för storskalig produktion.

Bornitridskivor kan också exfolieras genom kulfräsning , där skjuvkrafter appliceras på ytan av bulkbornitrid genom att rulla bollar. Denna teknik ger stora mängder material av låg kvalitet med dålig kontroll över dess egenskaper.

Upplåsning av bornitrid nanorör

BN nanosheets kan syntetiseras genom att öppna bornitrid nanorören via kaliuminterkalering eller etsning av plasma eller en inert gas. Här har interkaleringsmetoden ett relativt lågt utbyte eftersom bornitrid är motståndskraftigt mot effekterna av interkalanter. In situ avdragning av bornitrid-nanorör till nanoband uppnåddes av Li et al.

Lösningsmedelsexfoliering och sonikering

Lösningsmedelsexfoliering används ofta tillsammans med ultraljudsbehandling för att isolera stora mängder bornitrid-nanoark. Polära lösningsmedel som isopropylalkohol och DMF är mer effektiva för att exfoliera bornitridskikt än opolära lösningsmedel eftersom dessa lösningsmedel har en liknande ytenergi som ytenergin hos bornitridnanoark. Kombinationer av olika lösningsmedel exfolierar också bornitrid bättre än enskilda lösningsmedel. Många lösningsmedel som är lämpliga för BN-exfoliering är ganska giftiga och dyra, men de kan ersättas med vatten och isopropylalkohol utan att nämnvärt ge avkall på utbytet.

Kemisk funktionalisering och sonikering

Kemisk funktionalisering av bornitrid innebär att molekyler fästs på de yttre och inre lagren av bulk bornitrid. Det finns tre typer av BN-funktionalisering: kovalent, jonisk och eller icke-kovalent. Skikten exfolieras genom att placera det funktionaliserade BN i ett lösningsmedel och låta solvatiseringskraften mellan de fästa grupperna och lösningsmedlet bryta van der Waal-krafterna mellan BN-skikten. Denna metod skiljer sig något från lösningsmedelsexfoliering, som bygger på likheterna mellan ytenergierna hos lösningsmedels- och bornitridskikten.

Solid state-reaktioner

Uppvärmning av en blandning av bor- och kväveprekursorer, såsom borsyra och urea , kan producera bornitrid-nanoark. Antalet lager i dessa nanoark styrdes av temperaturen (ca 900 ˚C) och ureahalten.

Egenskaper och applikationer

Mekaniska egenskaper. Monolager bornitrid har en genomsnittlig Youngs modul på 0,865 TPa och brotthållfasthet på 70,5 GPa. I motsats till grafen, vars styrka minskar dramatiskt med ökad tjocklek, har fålagers bornitridskivor en styrka som liknar den hos monolager bornitrid.

Värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmågan hos atomärt tunn bornitrid är en av de högsta bland halvledare och elektriska isolatorer; den ökar med minskad tjocklek på grund av mindre koppling mellan skikten.

Termisk stabilitet. Grafenens luftstabilitet visar ett tydligt tjockleksberoende: enskiktsgrafen är reaktivt mot syre vid 250 °C, kraftigt dopat vid 300 °C och etsat vid 450 °C; däremot oxideras bulkgrafit inte förrän vid 800 °C. Atomtunn bornitrid har mycket bättre oxidationsbeständighet än grafen. Monolager bornitrid oxideras inte förrän 700 °C och kan hålla upp till 850 °C i luft; tvåskiktiga och treskiktiga bornitrid-nanoark har något högre starttemperaturer för oxidation. Den utmärkta termiska stabiliteten, höga ogenomträngligheten för gas och vätska, och den elektriska isoleringen gör atomärt tunna bornitridpotentialbeläggningsmaterial för att förhindra ytoxidation och korrosion av metaller och andra tvådimensionella (2D) material, såsom svart fosfor.

Bättre ytadsorption. Atomiskt tunn bornitrid har visat sig ha bättre ytadsorptionsförmåga än hexagonal bornitrid i bulk. Enligt teoretiska och experimentella studier upplever atomärt tunn bornitrid som adsorbent konformationsförändringar vid ytadsorption av molekyler, vilket ökar adsorptionsenergin och effektiviteten. Den synergiska effekten av atomtjockleken, hög flexibilitet, starkare ytadsorptionsförmåga, elektrisk isolering, impermeabilitet, hög termisk och kemisk stabilitet hos BN nanosheets kan öka Raman-känsligheten med upp till två ordningar och under tiden uppnå långsiktig stabilitet och extraordinär återanvändbarhet som inte kan uppnås med andra material.

Dielektriska egenskaper. Atomiskt tunn hexagonal bornitrid är ett utmärkt dielektriskt substrat för grafen, molybdendisulfid (MoS 2 ) och många andra 2D-materialbaserade elektroniska och fotoniska enheter. Som framgår av studier med elektrisk kraftmikroskopi (EFM) visar den elektriska fältscreeningen i atomärt tunn bornitrid ett svagt beroende av tjocklek, vilket är i linje med det jämna sönderfallet av elektriskt fält inuti fålagers bornitrid som avslöjas av de första principerna beräkningar.

Raman egenskaper. Ramanspektroskopi har varit ett användbart verktyg för att studera en mängd olika 2D-material, och Raman-signaturen av högkvalitativ atomärt tunn bornitrid rapporterades först av Gorbatsjov et al. och Li et al. De två rapporterade Raman-resultaten av monolager bornitrid stämde dock inte överens med varandra. Cai et al. genomfört systematiska experimentella och teoretiska studier av det inneboende Raman-spektrumet av atomärt tunn bornitrid. De avslöjar att, i frånvaro av interaktion med ett substrat, har atomärt tunn bornitrid en G-bandfrekvens som liknar den för bulk hexagonal bornitrid, men spänning inducerad av substratet kan orsaka Raman-skift. Ändå kan Raman-intensiteten för G-bandet användas för att uppskatta skikttjocklek och provkvalitet.

BN nanosheets är elektriska isolatorer och har ett brett bandgap på ~5,9 eV, vilket kan ändras genom närvaron av Stone-Wales-defekter i strukturen, genom dopning eller funktionalisering, eller genom att ändra antalet lager. På grund av deras hexagonala atomstruktur, små gittermissmatch med grafen (~ 2%) och hög enhetlighet, används BN nanosheets som substrat för grafenbaserade enheter. BN nanosheets är också utmärkta protonledare . Deras höga protontransporthastighet, i kombination med det höga elektriska motståndet, kan leda till tillämpningar i bränsleceller och vattenelektrolys .