نيتريد البورون السداسي النيتريد (h-BN): البنية والخصائص والتطبيقات

مقدمة

يوجدنيتريد البورون ( BN) في عدة أشكال بلورية، بما في ذلك الأشكال المكعبة (c-BN) والسداسية (h-BN) والأطوار غير المتبلورة. ومن بين هذه الأشكال، اجتذبت نيتريد البورون السداسي الأضلاع أكبر قدر من الاهتمام بسبب تشابهها الهيكلي مع الجرافيت ومزيجها من الاستقرار الحراري والعزل الكهربائي والخمول الكيميائي. وغالبًا ما يُطلق عليه اسم "الجرافيت الأبيض"، ويُستخدم نيتريد البورون السداسي الأضلاع على نطاق واسع في الإلكترونيات الدقيقة والهندسة ذات درجات الحرارة العالية والمركبات المتقدمة.

البنية والخصائص الجوهرية

يعتمد نيتريد البورون سداسي الأضلاع على شبكة سداسية الطبقات بتكوين تكديس ABAB. وتتألف كل طبقة من ذرات البورون والنيتروجين بالتناوب مرتبطة بروابط تساهمية قوية داخل المستوى. ويؤدي التفاعل بين الطبقات، الذي تحكمه قوى فان دير فال، إلى جعل المادة متباينة الخواص الميكانيكية - متباينة الخواص - متصلبة داخل المستوى وقابلة للانقسام بسهولة خارج المستوى.

في حين أن h-BN والجرافيت يشتركان في هندسة شبكية متشابهة، إلا أن بنيتهما الإلكترونية تختلف اختلافًا جوهريًا. فالجرافيت موصل للإلكترونات غير المتمركزة (π)، في حين أن h-BN، مع روابط B-N الأيونية، هو عازل ذو فجوة نطاق واسعة (~ 5.9 فولت).

الخصائص الرئيسية:

• التركيب البلوري: سداسي الأضلاع

• معلمات الشبكة: a ≈ 2.50 Å، c ≈ 6.66 Å

• التباعد بين الطبقات: ~3.33 Å

• فجوة النطاق: 5.9 فولت تقريبًا (غير مباشر)

• الكثافة: ~ 2.1 جم/سم^3 تقريبًا

مقالة ذات صلة: ما هي خصائص نيتريد البورون السداسي النيتريد؟

الخواص الفيزيائية الحرارية والكيميائية

يُظهر h-BN مزيجًا فريدًا من التوصيل الحراري والاستقرار الحراري والمقاومة الكيميائية:

• الموصلية الحرارية: ما يصل إلى 200-400 واط/م-ك في المستوى المستوي؛ أقل بكثير خارج المستوى.

• التمدد الحراري: متباين الخواص؛ حوالي 2 × 10^-6 كلفن ^ - 1 داخل المستوى، وأعلى خارج المستوى.

• الثبات الكيميائي: خامل لمعظم الأحماض والقواعد، ومستقر في الهواء حتى 1000 درجة مئوية تقريبًا.

• التزييت: معامل احتكاك منخفض، مستقر في الفراغ والبيئات المؤكسدة.

هذه الخصائص تجعل h-BN مناسبًا للبيئات الصعبة التي تجمع بين الحرارة والأكسدة والتآكل.

تقنيات التخليق

يحدد مسار تخليق نيتريد البورون السداسي الأضلاع (h-BN) بشكل مباشر جودته الهيكلية وحجمه الجانبي والتحكم في سمكه وكثافة عيوبه - وكلها تؤثر على ملاءمته في التطبيقات الإلكترونية والحرارية والميكانيكية. وبشكل عام، يمكن تصنيف طرق التركيب إلى استراتيجيات التقشير من أعلى إلى أسفل وتقنيات النمو الكيميائي من أسفل إلى أعلى.

الطرق من أعلى إلى أسفل

تبدأ هذه الأساليب من مادة h-BN السائبة وتختزلها إلى رقائق رقيقة أو صفائح قليلة الطبقات.

التقشير الميكانيكي
تتضمن هذه الطريقة، التي يُشار إليها غالبًا باسم تقنية "الشريط اللاصق"، تقشير الطبقات فعليًا من بلورة ح-ب-ن السائبة باستخدام مواد لاصقة. وتكمن الميزة في التبلور العالي وكثافة العيوب المنخفضة للرقائق الناتجة، وهي مثالية للدراسات الأساسية أو الأجهزة ثنائية الأبعاد عالية الأداء. ومع ذلك، فإن هذه العملية يدوية وتستغرق وقتًا طويلاً ومنخفضة المردود بطبيعتها، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج على نطاق واسع أو تجاري.

تقشير المرحلة السائلة (LPE)
يستخدم تقشير المرحلة السائلة التقشير بالموجات فوق الصوتية أو الخلط عالي القص في مذيبات مناسبة (على سبيل المثال، N-methyl-2-pyrrolidone أو الأيزوبروبانول أو المحاليل المائية الخافضة للتوتر السطحي) لتفكيك H-BN السائبة إلى صفائح نانوية قليلة الطبقات. وتوفر هذه العملية إنتاجية أعلى من التقشير الميكانيكي وهي قابلة للتطوير إلى مستوى الجرام أو أكثر. ومع ذلك، غالبًا ما تؤدي هذه العملية إلى حدوث عيوب هيكلية أو أكسدة الحواف أو تجزئة الصفائح مما قد يؤدي إلى تدهور الخواص الكهربائية والميكانيكية. وعادةً ما يُستخدم الطرد المركزي بعد التقشير لاختيار الرقائق ذات السماكة المرغوبة وتوزيع الحجم.

التحديات التي تواجه الطرق من أعلى إلى أسفل:

• يظل التحكم في الأبعاد الجانبية والسماكة محدوداً.

• صعوبة إزالة المواد الخافضة للتوتر السطحي أو المذيبات بالكامل.

• قد تحد الكثافات العالية للعيوب في معدات الحماية من الرصاص من الأداء الحراري والإلكتروني.

الطرق التصاعدية من الأسفل إلى الأعلى

تسمح التقنيات من الأسفل إلى الأعلى بالتحكم على المستوى الذري في نمو الأغشية وتُفضَّل عندما يكون التوحيد ودقة السماكة والتكامل أمرًا بالغ الأهمية.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)
يُعد الترسيب الكيميائي بالترسيب بالبخار الكيميائي (CVD) الطريقة الواعدة لتخليق رقاقة على نطاق الرقاقة من طبقة قليلة أو أحادية الطبقة من h-BN. تشمل السلائف الشائعة ما يلي:

• بوران الأمونيا (NH3-BH3): توليد BN من خلال التحلل الحراري.

• بورازين (B3N3H6): مركب حلقي يحتوي على روابط B-N موجودة بالفعل، مما ينتج عنه تبلور أعلى.

• كما تم استكشافب-ثلاثي كلور البورازين (B3N3Cl3) وم خاليطثنائي البورازين + الأمونيا.

ويحدث النمو عادةً على ركائز معدنية انتقالية مثل رقائق النحاس أو النيكل أو الحديد عند درجات حرارة تتراوح بين 900 درجة مئوية و1100 درجة مئوية. ويؤثر نوع الركيزة على كثافة التنوي وحجم الحبيبات والمحاذاة. تكون عمليات التحويل مطلوبة إذا كان سيتم دمج h-BN على الأسطح العازلة أو أشباه الموصلات.

المعلمات الرئيسية التي تؤثر على جودة CVD:

• معدل تدفق السلائف ونقاوتها

• ضغط الحجرة (ينتج عن CVD منخفض الضغط مجالات أكبر)

• بلورة الركيزة واتجاهها

• معدل التبريد بعد النمو (يؤثر على تكوين حدود الحبيبات)

السيراميك المشتق من البوليمر (PDCs)
ينطوي تخليق السيراميك المشتق من البوليمر على التحلل الحراري للبوليمر المحتوي على البورون والنيتروجين مثل البولي بولي بوريزيلين أو بولي [ب-ثريكلوروبورازين]. وتتحلل هذه السلائف إلى سيراميك نيتريد البورون تحت جو متحكم فيه (غالبًا الأمونيا أو النيتروجين). هذه الطريقة مناسبة لتصنيع مكونات نيتريد ثنائي الفينيل عالي الكثافة أو على شكلها مثل البوتقات أو العوازل أو الطلاءات. تسمح هذه العملية بالتكامل مع تعزيزات الألياف أو السقالات المسامية، مما يجعلها مثالية للمركبات الهيكلية.

مزايا PDC:

• تحكم متكافئ دقيق في التكافؤ

• التشكيل حسب الطلب قبل الانحلال الحراري

• القدرة على إنتاج سيراميك كثيف غير مسامي للاستخدام الميكانيكي والحراري

الملخص والمقايضات

مجالات التطبيق

الإلكترونيات وأنظمة العزل
تُستخدم h-BN على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية ثنائية الأبعاد كعازل ذري مسطح ذو قوة عازلة عالية، وذلك باعتبارها عازل ذري مسطح ذو قوة عازلة عالية، كما تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية ثنائية الأبعاد كعازل للبوابة أو ركيزة أو طبقة تغليف، خاصةً في البنى المتغايرة للجرافين وTMD.

مكونات درجات الحرارة العالية
نظرًا لمقاومته للصدمات الحرارية وخموله، يُستخدم h-BN في مكونات الأفران والبوتقات والتطبيقات الفضائية مثل أنظمة الحماية الحرارية.

مواد التشحيم والطلاءات الصلبة
يحافظ h-BN على التزليق في درجات الحرارة العالية وفي الهواء، مما يوفر مزايا تتفوق على الجرافيت في البيئات المؤكسدة مثل تشكيل المعادن والتركيبات الفضائية.

مركبات البوليمر والسيراميك
يعمل دمج h-BN في البوليمرات أو السيراميك على تعزيز التوصيل الحراري واستقرار الأبعاد مع الحفاظ على العزل الكهربائي. وتشمل التطبيقات النموذجية مواد الواجهة الحرارية (TIMs) والعوازل الهيكلية.

البصريات الضوئية والأشعة فوق البنفسجية
تعد الشفافية البصرية العالية التي تتمتع بها مادة h-BN في الأشعة فوق البنفسجية وسلوكها الفون-البوليتوني واعدة في مجال الضوئيات فوق البنفسجية العميقة والتطبيقات البصرية غير الخطية.

6. الخاتمة

يوفِّر نيتريد البورون السداسي مزيجًا نادرًا من فجوة نطاق واسعة، وموصلية حرارية عالية، ومقاومة كيميائية ممتازة. كما أن بنيته متباينة الخواص وتوافقه مع مواد أخرى ثنائية الأبعاد تجعله لبنة أساسية للجيل القادم من الإلكترونيات والبصريات والأنظمة الحرارية. تعمل الأبحاث الجارية على توسيع نطاق تكاملها في:

• منصات المواد ثنائية الأبعاد القابلة للتطوير المستندة إلى CVD

• مركبات عالية الأداء مع واجهات مصممة هندسيًا

• الأجهزة البصرية التي تستغل تشتت الفونونات الزائدية

في Stanford Advanced Materials ( SAM)، نوفر مساحيق وطلاءات وأشكال متكلسة عالية النقاء من مادة h-BN المصممة خصيصاً للتطبيقات الصناعية والبحثية. اتصل بفريقنا التقني لمعرفة كيف يمكن أن تتناسب مواد نيتريد البورون لدينا مع مشروعك التالي.