دليل نيتريد البورون: الخواص والبنية والتطبيقات

1 مقدمة

في إطار السعي للحصول على رقائق أسرع وأجهزة أكثر متانة، أصبحت الاختناقات الحرارية وفشل المواد في البيئات القاسية عقبات لا يمكن التغلب عليها. تبحث صناعات مثل الفضاء والطاقة النووية والتصنيع المتطور عن مواد مستقرة في ظل الظروف القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي والتآكل القوي والإشعاع الشديد. وفي حين أن الجرافين وكربيد السيليكون كانا في دائرة الضوء لبعض الوقت، فإن مركبًا آخر هو نيتريد البورون (BN) يعالج هذه التحديات بهدوء بفضل خصائصه الهيكلية الفريدة.

فهو يُستخدم كطلاء لتبديد الحرارة لتمكين رقائق الحوسبة الفائقة من العمل بأقصى سرعة؛ وكطبقة واقية تحمي محركات الصواريخ من درجات حرارة تتجاوز آلاف الدرجات المئوية؛ وكمادة أداة أكثر صلابة من الماس لتصنيع الفولاذ المروي؛ وحتى كمادة حاسمة للكشف عن الإشعاع النووي. هذه هي مادة BN، وهي مادة متعددة الاستخدامات تجمع بين الثبات في درجات الحرارة العالية والعزل الشديد والتوصيل الحراري الفائق ومقاومة التآكل الفائقة الصلابة والخمول الكيميائي.

وترتكز هذه التطبيقات الاستثنائية على العلاقة العميقة بين البنية والخصائص بين البنية البلورية المعقدة (الشكل المتآصل) لمادة BN وأدائها. سوف يتعمق هذا المقال في كيفية صنع نيتريد البورون المعجزات من الترتيبات الذرية، ويكشف أسرار الأداء لأشكاله المختلفة (مثل نيتريد البورون h-BN السداسي الشكل، ونتريد البورون c-BN المكعب)، ويوضح التحديات الأساسية لتقنيات تحضيره، ويستكشف إمكاناته الهائلة في معالجة التحديات الحرجة في قطاعات الطاقة والمعلومات والتصنيع في المستقبل.

الشكل 1 تطبيق BN في محركات الصواريخ

2 المفاهيم والبنية المادية

نيتريد البورون هو مركب تساهمي ثنائي يتكون من ذرات البورون (B) والنيتروجين (N) بنسبة 1:1. تُظهر الرابطة B-N كلاً من الطابع التساهمي القوي والقطبية الكبيرة (فرق السالبية الكهربية ≈ 1.0)، مع طاقة رابطة تتجاوز طاقة الرابطة C-C، مما يؤسس الأساس للثبات العالي للمادة. تنبع القيمة الفريدة لنيتروجين البورون من خصائصه المتآصلة الغنية: تؤدي الاختلافات في الترتيب الذري إلى تحولات أساسية في الخصائص العيانية.

ويُعد نيتريد البورون سداسي الأضلاع (h-BN) الشكل الأكثر شيوعًا، ويتميز ببنية طبقية شبيهة بالجرافيت. وتشكل ذرات البورون والنيتروجين حلقات سداسية من خلال التهجين sp2، مع الحفاظ على الترابط بين الطبقات بواسطة قوى فان دير فالس. ويمنح هذا التركيب h-BN تباينًا عاليًا: تُظهر الاتجاهات داخل المستوى توصيلية حرارية ممتازة (≈400 واط/م-ك)، وقوة ميكانيكية، وخصائص عزل واسعة النطاق (~6 فولت)؛ بينما تمنحه التفاعلات الضعيفة بين الطبقات معامل احتكاك منخفض للغاية (0.03-0.1) وتزييت في درجات الحرارة العالية، ويبقى مستقرًا في الهواء فوق 1000 درجة مئوية.

في المقابل، يتم بناء نيتريد البورون المكعب (c-BN) ونتريد البورون الورتزيت (w-BN) من خلال تهجين sp3 لتشكيل شبكات تساهمية ثلاثية الأبعاد. يُظهر نيتريد البورون المكعب c-BN بنية رباعية الأوجه تشبه الماس (نظام بلوري مكعب)، بينما نيتريد البورون الورتزيت له بنية سداسية متقاربة (نظام بلوري سداسي). ويشتهر كلاهما بصلابة عالية للغاية (تبلغ صلابة c-BN 45-50 جيجا باسكال، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الماس). وتمنح هذه البنية الكثيفة أيضًا موصلية حرارية عالية متساوية الخواص تقريبًا (c-BN ≈ 750 واط/م-ك)، وثباتًا حراريًا أعلى من 1400 درجة مئوية (في جو خامل)، وخصائص أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة (فجوة نطاق c-BN ~ 6.4 فولت).

الشكل 2 هيكل cBN، وWBN، وWBN، وrBN، وHBN

تُظهر جميع متغيرات BBN خمولًا كيميائيًا استثنائيًا، حيث تقاوم التآكل بواسطة الأحماض والقلويات والمعادن المنصهرة. تنبع خصائص الانزلاق الطبقي لـ h-BN ومقاومة التآكل فائقة الصلابة لـ c-BN/wBN بشكل أساسي من الآثار المباشرة لبنية طبقات sp2 وشبكة sp3 المكانية من حيث أنماط الترابط الذري والتماثل البلوري. ويشكل هذا الارتباط الهيكلي-الأداء الهيكلي المنطق الأساسي لفهم نظام مادة نيتريد البورون.

الجدول 1 مقارنة بين الأنواع الهيكلية المختلفة BN

3 الخواص الفيزيائية والكيميائية

3.1 الخواص الحرارية

يُظهر نيتريد البورون أداءً لا مثيل له في تطبيقات الإدارة الحرارية القصوى. يُظهر نيتريد البورون سداسي الأضلاع (h-BN) موصلية حرارية فائقة الارتفاع على طول مستوى الطبقة الذرية (حوالي 400 واط/م-ك)، ما ينافس الجرافين، في حين تنخفض الموصلية الحرارية في الاتجاه العمودي بشكل كبير. هذا التباين القوي في الخواص يجعلها خيارًا مثاليًا لمواد تبديد الحرارة الاتجاهية. ومن ناحية أخرى، يُظهر نيتريد البورون المكعب (c-BN) موصلية حرارية عالية متساوية الخواص (حوالي 750 واط/م-ك)، متجاوزًا بذلك معظم المعادن. والأهم من ذلك، تظل مادة h-BN مستقرة في جو مؤكسد عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، في حين يمكن أن تتحمل مادة c-BN درجات حرارة تتجاوز 1400 درجة مئوية في بيئة خاملة. وتتميز كلتا المادتين بمعاملات تمدد حراري منخفضة للغاية ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، مما يوفر أساسًا ماديًا لطلاء الحاجز الحراري للأجهزة ذات درجات الحرارة العالية وركائز تبديد الحرارة.

3.2 الخواص الكهربائية

تحدد خصائص فجوة الحزمة العريضة لنيتريد البورون موقعها الفريد في صناعة الإلكترونيات. يتميز h-BN، باعتباره عازلًا واسع الحزمة (عرض فجوة الحزمة ~ 6 فولت)، بقوة مجال انهيار تصل إلى 800 كيلو فولت/سم ولا توجد روابط متدلية على سطحه، مما يجعله طبقة عازلة مثالية للترانزستورات ثنائية الأبعاد (مثل أجهزة الجرافين وثاني كبريتيد الموليبدينوم)، مما يكبح بشكل فعال تشتت الواجهة. من ناحية أخرى، يجمع c-BN بين فجوة نطاق عريضة للغاية تبلغ 6.4 فولت مع إمكانية التحكم في التطعيم من النوع p. وتفتح خواصه المستقرة لأشباه الموصلات في درجات الحرارة العالية إمكانيات لتطوير أجهزة إلكترونية ضوئية فوق بنفسجية عميقة فوق البنفسجية، وكاشفات للبيئات الإشعاعية القاسية، ومكونات إلكترونية عالية التردد وعالية الطاقة.

3.3 الخواص الميكانيكية

يُظهِر نيتريد البورون تمايزاً شديداً في خواصه الميكانيكية، حيث يجمع بين الصلابة والمرونة. وتمنح قوى فان دير فال البينية في h-BN معامل احتكاك منخفض للغاية (0.03-0.1)، ما يجعله "مادة تشحيم صلبة" مثالية في ظروف درجات الحرارة العالية. وفي بيئات التفريغ أو البيئات الخاملة، يفوق أداء الاحتكاك الخاص به أداء الجرافيت. وفي الوقت نفسه، تمنحه شبكة c-BN ثلاثية الأبعاد التي تتكون من روابط sp3 صلابة فيكرز تتراوح بين 45-50 جيجا باسكال، وهي الثانية بعد الماس، إلى جانب ثبات حراري أعلى وخمول كيميائي فريد من نوعه - فهو لا يحفز الجرافيت عند معالجة معادن مجموعة الحديد. تمنح هذه الخاصية أدوات c-BN ميزة لا يمكن الاستغناء عنها في مجال تصنيع السبائك الصلبة.

3.4 الخواص الكيميائية

يشكل الخمول الكيميائي لنيتريد البورون أساس بقائه في البيئات المسببة للتآكل. تُظهر كل من h-BN و c-BN مقاومة استثنائية لمعظم الأحماض والقلويات والمعادن المنصهرة (مثل الألومنيوم والنحاس والصلب). يمكن أن تتحمل h-BN تآكل الألومنيوم المنصهر عند 900 درجة مئوية، متجاوزةً بذلك السيراميك التقليدي؛ وتظل c-BN مستقرة في تلامس السبائك ذات درجة الحرارة العالية القائمة على الحديد، متجنبةً فشل انتشار الكربون الذي يشيع في أدوات الماس. هذه الخاصية "السلبية" تجعلها مادة مرشحة رئيسية لبطانات الحاويات المعدنية المنصهرة، والمواد الاستهلاكية لتصنيع أشباه الموصلات، ومكونات امتصاص النيوترونات في المفاعلات النووية.

الشكل 3 طلاء نانو نيتريد البورون السداسي النيتريد يقلل من التحجيم في الأنابيب في بيئات المياه الفعلية

3.5 الخصائص الوظيفية الخاصة

تفتح الخصائص الفريدة من نوعها لنيتريد البورون آفاقاً جديدة في مجالات التكنولوجيا المتطورة. تُظهر مصادر نيتريد البورون نيتريد النانوية أحادية الفوتون h-BN (مراكز ألوان شغور البورون) آفاقاً واعدة في مجال الاتصالات الكمية، حيث تدعم أسطحها المسطحة ذرياً الأبحاث في الحالات الكمومية الجديدة مثل العوازل الطوبولوجية. وتتيح الفونونات المستقطبة c-BN التحكم في الطول الموجي الفرعي لضوء الأشعة تحت الحمراء، مما يوفر آفاقاً جديدة لتكنولوجيا ما فوق السطح. بالإضافة إلى ذلك، توفر خصائص التألق بالأشعة فوق البنفسجية العميقة للصفائح النانوية h-BN تقدم اختراقات في مجال وضع العلامات الحيوية والترميز المضاد للتزييف، في حين تشير الموصلية الكهربائية فائقة الضغط للصفائح النانوية ثنائية الفينيل ثنائي الفينيل إلى الجيل التالي من مواد محولات الطاقة الميكاترونيك.

4 طرق التحضير

يدور نظام تكنولوجيا تركيب نيتريد البورون حول التحكم في البنية البلورية ومتطلبات أداء التطبيق. ويُستخدم الترسيب الكيميائي للبخار ( CVD) كطريقة أساسية لتحضير الأغشية الرقيقة عالية الأداء، مما يحقق ترسيبًا متحكمًا فيه ذريًا من خلال تفاعل السلائف الغازية (مثل نظام BCl3-NH3) على سطح ركيزة ساخنة. وتتيح تقنية CVD المعززة بالبلازما نمو طبقات عازلة غير متبلورة من نيتريد البورون ثنائي النيتروز (مع ثابت عازل كهربائي منخفض يصل إلى 1.16) عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 400 درجة مئوية، في حين تُستخدم تقنية CVD الحرارية للنمو الفوقي لبلورات أحادية سداسية المساحة من نيتريد البورون سداسية الشكل (على سبيل المثال، 4×4 سم^2 أحادية الطبقة من نيتريد البورون ثنائي النيتروز على ركائز النيكل)، مما يحقق دقة سماكة الفيلم على مستوى النانومتر ونقاء يتجاوز 95%. ولكن التصنيع مقيد بتكاليف المعدات ومعدلات الترسيب.

بالنسبة للإنتاج واسع النطاق لمواد BN المسامية، تهيمن طريقة القالب بسبب تأثيرها في الحصر المكاني. ومن بين هذه القوالب، تستخدم طريقة القالب الصلب السيليكون/الكربون المسامي المتوسط كسقالة، يليها التشريب بمصدر البورون (مثل أزيد البورون)، والتحلل الحراري بدرجة حرارة عالية (>800 درجة مئوية)، وحفر القالب (محلول HF) للحصول على ثنائي نيترو البنزين المسامي بأحجام مسامية موحدة (2-50 نانومتر) ومساحة سطح محددة >1000 م^2/غم، مناسبة للدعامات الحفازة وامتصاص الغاز. وعلى الرغم من بساطة طريقة القالب اللين من الناحية التشغيلية (بالاعتماد على التجميع الذاتي للمادة الخافضة للتوتر السطحي)، إلا أنها محدودة التطبيق بسبب انخفاض انتظام المنتج.

يعتمد تخليق مسحوق BN بحجم ميكرون من الدرجة الصناعية في المقام الأول على طرق الانحلال الحراري بدرجة حرارة عالية. وتتضمن طريقة البوراكس-كلوريد الأمونيوم تلبيد المواد الخام عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية في جو من الأمونيا، مما يوفر مزايا الإنتاج المستمر ولكن ينتج عنه مخلفات عالية الشوائب (بما في ذلك الكربون)؛ وتتضمن طريقة البوراكس-اليوريا النيترة عند درجة حرارة 900-1100 درجة مئوية يليها الغسل الحمضي للتنقية، مما يحقق مسحوق النفثالينات المشبعة بالنيتروجين بنقاء >95%، لتصبح العملية السائدة للحشوات الموصلة للحرارة ومواد التشحيم؛ في حين أن طريقة السلائف العضوية (مثل تحلل أزيد البورون) تنتج نيتروجين البورون ثنائي النيتروجين المسامي عالي النقاء (>97% نقاء)، إلا أنها تقتصر على تطبيقات السيراميك المتطورة بسبب ارتفاع تكلفة المواد الخام.

ويتطلب تحضير نيتريد البورون المكعب (c-BN) تقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT) لدفع التحول الطوري. وتتطلب الطريقة الخالية من المحفز ظروفًا قاسية (11-12 جيجا باسكال، 1700 درجة مئوية). وعلى الصعيد الصناعي، يشيع استخدام نيتريدات الفلزات القلوية (Li3N، إلخ) كمحفزات لخفض الضغط إلى 5 جيجا باسكال ودرجة الحرارة إلى 1400 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تصنيع حبيبات c-BN (صلابة 45-50 جيجا باسكال) التي تلبي متطلبات المواد الكاشطة والأدوات فائقة الصلابة. تعمل طرق تخليق البلازما الناشئة على تنشيط غاز N2-BH3 عند 400-600 درجة مئوية لترسيب أغشية c-BN الرقيقة، وتجنب التلف الحراري للركيزة، وهي مناسبة للطلاء البصري.

وتركز الاختراقات الرائدة على التحكم الهيكلي الدقيق، مثل النمو الفوقي المائل باستخدام ركائز مكسورة التماثل (أسطح مائلة مائلة من النيكل (520)) لقفل التراص المائل (ABC) بالتتابع، وإعداد أفلام أحادية البلورة أحادية السطح من ثنائي نيترو بولي بروبيلين ثنائي الفينيل 4×4 سم^2 بنجاح. تفتح كهربائيتها الحديدية (درجة حرارة كوري >600 درجة مئوية) مسارات جديدة للأجهزة الإلكترونية.

اختيار الطريقة ومنطق التصنيع

قابلية التطبيق للتكيف: يُفضل استخدام طريقة بورات-يوريا (مسحوق البولي بروبيلين عالي الكثافة منخفض التكلفة) لتطبيقات التوصيل الحراري/التشحيم؛ ويتم الاعتماد على أفلام CVD للطبقات العازلة لأشباه الموصلات؛ ويُعد البولي بروبيلين عالي الكثافة المُصنَّع باستخدام تقنية HPHT ضروريًا للأدوات فائقة الصلابة؛ ويتم استكشاف بلورات rBN المفردة التي تنمو عبر إيبتيكتاسي مائل الحواف للأجهزة الكمية.

التطور التكنولوجي: تركز الأبحاث الحالية على العمليات منخفضة الحرارة (بمساعدة البلازما)، والعمليات الخضراء (القوالب منخفضة الطاقة)، وتحسين الدقة الفوقية، مما يؤدي إلى اعتماد ثنائي النيتروز ثنائي الفينيل في الأنظمة الإلكترونية وأنظمة الطاقة المتقدمة.

الشكل 4 رسم تخطيطي لجهاز تركيب صفائح نانو نيتريد البورون السداسية

5 التطبيقات في العالم الحقيقي والإنجازات الأخيرة

5.1 التطبيقات الصناعية

يمنحها التركيب الطبقي لنيتريد البورون سداسي الأضلاع (h-BN) خصائص مزدوجة فريدة من نوعها في الترابط القوي داخل المستوى/التفاعل الضعيف بين الطبقات. في التروس ذات درجة الحرارة العالية ومحركات الطيران، يحقق مسحوق h-BN معامل احتكاك منخفض للغاية (0.03-0.1) من خلال الانزلاق بين الطبقات. وتظل شبكة الروابط sp2 الخاصة به مستقرة في بيئة مؤكسدة تبلغ درجة حرارتها 800 درجة مئوية، مما يعالج مشكلة فشل مواد التشحيم التقليدية في درجات الحرارة العالية. ويحقق نيتريد البورون المكعب (c-BN)، بشبكته التساهمية ثلاثية الأبعاد الشبيهة بالماس (sp3) ثلاثية الأبعاد، صلابة لا تلي الماس (45-50 جيجا باسكال) ولا يخضع لعملية تحفيز الحديد مثل الماس عند تصنيع الفولاذ المروي، مما يجعله مادة أداة لا غنى عنها لمعالجة السبائك عالية الصلابة. في مجال الإدارة الحرارية لرقاقة الجيل الخامس، يتم تضمين رقائق h-BN، مع توصيلها الحراري العالي جدًا داخل المستوى (≈400 واط/م-ك) في مصفوفة بوليمر لتشكيل مسارات حرارية متباينة الخواص مما يقلل من درجات حرارة البقعة الساخنة المحلية بنسبة تزيد عن 30%. كما تمنع خصائصها العازلة ذات فجوة النطاق العريضة (~6 فولت) تسرب التيار.

5.2 المواد الخام للأجهزة الإلكترونية

إن السطح المسطح ذريًا وغياب الروابط المتدلية في h-BN، وهي مادة خام للأجهزة الإلكترونية، يجعلها ركيزة عازلة مثالية للأجهزة الإلكترونية ثنائية الأبعاد. عندما يتم وضع الجرافين أحادي الطبقة على h-BN، فإن تأثير التدريع من هيكله الطبقي يعزز حركة الناقل إلى 140,000 سم^2/(V-s)، بزيادة عشرة أضعاف عن ركائز SiO2 التقليدية، نظرًا لأن كثافة مصيدة الشحنة السطحية أقل من 10^10 سم^2. من ناحية أخرى، تستفيد c-BN من فجوة النطاق فائقة الاتساع البالغة 6.4 فولت وخصائص فجوة النطاق غير المباشرة، مما يتيح إمكانية التأريض في درجة حرارة الغرفة في أشعة الليزر فوق البنفسجية العميقة (الطول الموجي <200 نانومتر). كما يمكن لعيوب البورون الشاغرة في شبكتها ثلاثية الأبعاد أن تلتقط جسيمات عالية الطاقة وتحولها إلى نبضات إشارة كهربائية، مما يتيح بناء كاشفات مقاومة للإشعاع مع عمر افتراضي أطول 100 مرة من الأجهزة القائمة على السيليكون في مراقبة محطات الطاقة النووية.

5.3 التطبيقات الناشئة

في المفاعلات النووية، يمتلك نظير البورون-١٠ من H-BN النظير h-BN مقطع عرضي لامتصاص النيوترونات يصل إلى 3840 طيف مستهدف، ويمكن معالجة بنيته ذات الطبقات في أجسام خزفية مسامية يمكنها التقاط النيوترونات الحرارية بفعالية عند درجات حرارة عالية تصل إلى 800 درجة مئوية مع الحفاظ على الخمول الكيميائي لمقاومة التآكل الناتج عن المبرد. وفي مجال التكنولوجيا الكمومية، تبعث مراكز البورون الملونة الشاغرة (VB-) في شبكة h-BN فوتونات أحادية مستقرة بكفاءة كمومية تبلغ 85%. وتؤدي بيئة العزل البيني إلى إطالة زمن فك التماسك إلى مستوى المللي ثانية، مما يجعلها مادة مرشحة لأجهزة التخزين الكمي في درجة حرارة الغرفة. في فوهات محركات الصواريخ، تحقق طلاءات h-BN حماية مزدوجة من خلال بنية التكثيف المتدرج: تقاوم حلقة sp² على السطح تيارات اللهب المؤكسدة التي تبلغ 3000 درجة مئوية، بينما تمنع شبكة الرابطة الداخلية sp³ انتشار الحرارة من السبيكة الأساسية، مما يطيل عمر الفوهة إلى ثلاثة أضعاف عمر طلاءات كربيد السيليكون التقليدية.

الشكل 5 قضيب التحكم في المفاعل النووي من نيتريد البورون نيتريد

6 الاكتشافات الجديدة ومجالات التركيز المستقبلية

6.1 التحديات والحلول التقنية الرئيسية

1. الصعوبات في زراعة بلورات مفردة كبيرة المساحة من نيتريد نيتريد البورون المكعب

يمكن أن يحل نيتريد البورون المكعب (c-BN)، كمادة فائقة الصلابة (بصلابة تتراوح بين 45-50 جيجا باسكال)، محل الماس في مجال أدوات القطع (خاصة عند معالجة معادن مجموعة الحديد، حيث لا يسبب الجرافيت بدون محفز). ومع ذلك، يواجه تحضير بلوراته المفردة تحديات أساسية:

الإجهاد البيني وقضايا نقاء الطور: تتطلب طرق PVD/CVD التقليدية قصفًا أيونيًا عالي الطاقة للحث على التحول الطوري، مما يؤدي إلى مراحل مختلطة (تعايش سداسي h-BN ومكعب c-BN) وإجهاد متبقي داخل الفيلم. وبالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي الواجهة البينية على طبقات انتقالية من نيتريد البورون غير المتبلور (a-BN) وبنى طبقات غير متجانسة (t-BN)، مما يؤدي إلى تدهور جودة البلورة.

قيود الحجم: تتطلب طرق الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة (HPHT) ظروفًا قاسية (5-12 جيجا باسكال، 1400-1700 درجة مئوية)، والتي يمكن أن تنتج حبيبات من نيتريد ثنائي نيتروز الأمونيوم عالي النقاء، ولكنها تكافح لتحقيق نمو بلورة واحدة على نطاق الرقاقة.

اتجاهات الاختراق:

تكنولوجيا النمو الفوقي: أظهرت الدراسات الحديثة أنه يمكن زراعة أغشية c-BN أحادية البلورة العمودية على ركائز الماس، وتجنب عيوب الطبقة الوسيطة.

السيرة الذاتية بمساعدة البلازما: تتحكم تقنية CVD المعززة بالبلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة (على سبيل المثال، 350 درجة مئوية PECVD) في التبلور من خلال تنظيم وقت تشعيع البلازما، مما يوفر إمكانية النمو على مساحة كبيرة.

2. التحسين الأمثل لآلية التوصيل الحراري بين الطبقات في نيتروجين النيتروجين

يُظهر نيتريد البورون سداسي الأضلاع (h-BN) موصلية حرارية داخل المستوى تصل إلى 400 واط/كلفن ولكن الموصلية الحرارية بين الطبقات غير كافية، مما يحد من تطبيقه في تبديد الحرارة الرأسية. تشمل المشكلات الأساسية ما يلي:

القيود متباينة الخواص: ينتج عن البنية الطبقية ل h-BN روابط تساهمية قوية داخل المستوى وقوى فان دير فال الضعيفة بين الطبقات، مما يجعل من الصعب انتقال الحرارة عبر الطبقات.

سلوك التوصيل الحراري المعتمد على الطبوغرافيا: تعمل جسيمات h-BN على شكل رقائق على تحسين تبديد الحرارة الأفقي، ولكن هناك حاجة إلى جسيمات كروية لتحسين كفاءة الملء في الاتجاه الرأسي؛ ومع ذلك، فإن عملية تحضير جسيمات h-BN الكروية معقدة ومكلفة.

لذلك، تركز استراتيجيات التحسين بشكل أساسي على الجوانب التالية:

• تصميم البنية الدقيقة/النانوية:
  • h-BN الشبيه بالصفائح: يتم تحضير صفائح نانوية رقيقة للغاية (سمكها أقل من 10 نانومتر) عن طريق التقشير السائل الأيوني، مما يعزز كفاءة نقل الفونونات بين الطبقات ويحسن أداء المعجون الحراري بنسبة 30%.
  • h-BN الكروي: يقوم ترسيب بخار البلازما عالي التردد بتوليف جزيئات كروية، مما يتيح مواد مركبة عالية الملء مناسبة لتطبيقات الإدارة الحرارية الرأسية مثل تبريد البطاريات.
• هندسة الواجهة: الترتيب الموجه للصفائح النانوية h-BN في مصفوفة بوليمر لبناء مسارات توصيل حراري متباينة الخواص مثل أغشية تبديد الحرارة لرقاقة الجيل الخامس التي يمكن أن تقلل من درجات حرارة النقاط الساخنة المحلية بنسبة تزيد عن 30%.

3. إنتاج منخفض التكلفة على نطاق واسع

في الوقت الحالي، تكلفة الإنتاج الضخم لمواد النانو ثنائي النيتروجين مرتفعة، خاصة بالنسبة للأشكال عالية الأداء (مثل الأنابيب النانوية والأغشية الرقيقة أحادية البلورة):

مسارات خفض التكلفة

تقنية تجريد السوائل الأيونية السائلة: تتيح طريقة تعتمد على السوائل الأيونية غير المكلفة إنتاج الصفائح النانوية من h-BN على نطاق واسع (إنتاجية 25%)، مع انخفاض التكاليف إلى ثلث الطرق التقليدية.

طريقة التوليف بالاحتراق: باستخدام حمض البوريك-اليوريا كمواد خام، يتم تصنيع مسحوق h-BN الدقيق مباشرةً عند درجة حرارة 900-1100 درجة مئوية، مما يلغي الاعتماد على الغازات عالية النقاء، وهو مناسب لمواد التشحيم الصناعية والحشوات الموصلة للحرارة.

6.2 الإنجازات والتوجهات البحثية المتطورة

1. تقاطع فان دير فال المتغاير (h-BN/الجرافين/ثنائي الكالكوجينيد المعدني الانتقالي)

تلعب h-BN دورًا محوريًا كطبقة عازلة في الوصلات المتغايرة ثنائية الأبعاد:

ابتكار كاشف ضوئي: يؤدي إدراج طبقة حاجز h-BN في تقاطع متغاير من الجرافين/موز₂ إلى كبح التيار المظلم إلى مستوى البيكو أمبير (0.07 بيكو أمبير)، وتحسين سرعة الاستجابة بمقدار 100 مرة (0.3 ثانية مقابل 20 ثانية)، وتعزيز نقل الناقل المولّد ضوئيًا باستخدام تأثير النفق FN.

تنظيم التأثير الكمي: يشكّل محاذاة خمس طبقات من الجرافين مع h-BN شبكة فائقة من موير، مما يحقق "تأثير هول الكمي الشاذ الجزئي" (FQAHE) في الجرافين لأول مرة، مما يوفر منصة للحوسبة الطوبولوجية الكمية ذات المجال المغناطيسي الصفري.

المزايا:

يقلل سطح h-BN المسطح ذريًا من التشتت البيني، مما يزيد من حركية ناقل الجرافين إلى 140,000 سم^2/(V-s)10.

تمنع خاصية فجوة النطاق العريضة (~6 فولت) تسرب التيار، مما يلبي متطلبات الأجهزة عالية التردد.

2. أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNT)

تستبدل أنابيب نانو نيتريد البورون النانوية (BNNTs) الروابط C-C في الأنابيب النانوية الكربونية بروابط B-N، ما يجمع بين القوة العالية وخصائص العزل:

تتفوق الخواص الميكانيكية على الأنابيب النانوية النانوية الكربونية: تشير الحسابات النظرية إلى قوة إنتاجية أعلى، وتحمل أقوى للعيوب، وأعلى قوة بين الألياف العازلة المعروفة.

ثبات بيئي فائق: تحافظ هذه الألياف على الاستقرار الهيكلي في بيئة مؤكسدة بدرجة حرارة 1000 درجة مئوية، متفوقة بذلك على عتبة أكسدة ألياف CNTs (حوالي 400 درجة مئوية).

سيناريوهات التطبيق:

مرحلة التسليح في المواد المركبة: مملوءة في مصفوفات البوليمر (مثل راتنجات الإيبوكسي) لتعزيز الاستقرار في درجات الحرارة العالية والتوصيل الحراري، وتستخدم في مكونات الإدارة الحرارية للمركبات الفضائية.

مادة التدريع النيوتروني: يصل المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات لنظير البورون-10 إلى 3,840 إبسيلون مستهدف، وهي مناسبة لحماية المفاعلات النووية.

الشكل 6 أنابيب نانوية من نيتريد البورون نيتريد

3. المواد الكمية القائمة على البورون-النيتروجين-النيتروجين

توفر قابلية الانعكاس الديناميكي لروابط B-N بعداً جديداً لتصميم المواد الكمومية:

مصادر الضوء الكمي: تنبعث من شواغر البورون (VB-) في مادة h-BN فوتونات مفردة مستقرة بكفاءة كمومية تبلغ 85% وزمن إلغاء التماسك يصل إلى مستوى المللي ثانية، مما يضع الأساس لذاكرة كمومية في درجة حرارة الغرفة.

التحكم في النطاق المسطح الطوبولوجي: تحقق البلورات الأحادية المعينية BBN (rBN) كهربية حديدية (درجة حرارة كوري > 600 درجة مئوية) من خلال النمو الفوقي المائل، مما يدعم النطاقات المسطحة عالية الترتيب مع إمكانية توليد أيونات غير أبيلية.

بوليمرات B-N التساهمية: صنعت جامعة سيتي يونيفرسيتي في هونغ كونغ بوليمرات أحادية البلورة (على سبيل المثال، سيتي يو-15) باستخدام الروابط B-N، والتي تحقق أجهزة ذات طاقة منخفضة للغاية (3.3 fJ/دورة) لمحاكاة المشبك الشبكي الاصطناعي بعد التخدير باليود.

7 الخلاصة

نيتريد البورون هو مركب ثنائي يتكون من ذرات البورون والنيتروجين. وهو موجود في المقام الأول في أشكال متآصلة مثل سداسي (h-BN) ومكعب (c-BN). ويمنحها التركيب الطبقي للمركب h-BN (h-BN) توصيلية حرارية عالية داخل المستوى (حوالي 400 واط/م-ك) وتزييت في درجات الحرارة العالية؛ بينما يوفر التركيب المكعب للمركب c-BN خصائص فائقة الصلابة (صلابة تتراوح بين 45-50 جيجا باسكال) وسلوك شبه موصل واسع النطاق (فجوة نطاق تبلغ 6.4 فولت). تشمل التحديات الحالية صعوبة زراعة بلورات مفردة ذات مساحة كبيرة من c-BN، وانخفاض التوصيل الحراري بين الطبقات في h-BN، وارتفاع التكاليف المرتبطة بالإنتاج على نطاق واسع. تركز الأبحاث المتطورة على البنى المتغايرة لفان دير فالس (على سبيل المثال، h-BN/الجرافين)، والخصائص الميكانيكية/التدريع النيوتروني للأنابيب النانوية سداسية نيتريد البورون (BNNTs)، والمواد الكمومية القائمة على البورون والنيتروجين (على سبيل المثال، مصادر الفوتون الأحادي المركز الشاغرة للبورون). يجب أن تعمل الجهود المستقبلية على تحسين عمليات التصنيع (على سبيل المثال، تخليق البلازما وتقشير السائل الأيوني) وتعميق أبحاث التحكم الكمي للنهوض بتطبيقاتها في مجال الإلكترونيات والطاقة النووية والتكنولوجيا الكمية.

وباعتبارها مورداً رائداً في مجال المواد المتقدمة، تكرس Stanford Advanced Materials جهودها لتوفير منتجات نيتريد البورون عالية الجودة ودعم الخبراء لتسهيل التقدم البحثي والصناعي على حد سواء.

قراءة ذات صلة:

ما هو نيتريد البورون الكروي؟

سيراميك نيتريد البورون نيتريد: مادة مضادة للرصاص

ما هي خصائص نيتريد البورون النيتريد السداسي؟