نيتريد البورون نيتريد Wurtzite Boron Nitride (w-BN): البنية والخصائص والتطبيقات

1. مقدمة

يوجدنيتريد البورون ( BN) في أشكال بلورية متعددة، وأكثرها دراسةً هي سداسية (h-BN)، ومكعبة (c-BN)، ووارتزيت (w-BN). ومن بين هذه الأشكال، يُعد W-BN الأقل شيوعًا ولكنه يُظهر خصائص ميكانيكية استثنائية جذبت اهتمامًا متزايدًا في التطبيقات عالية الأداء. وعلى غرار المواد المشابهة من الناحية الهيكلية للمواد من نوع wurtzite مثل GaN أو ZnO، تتميز w-BN بصلابة نظرية تتجاوز صلابة الماس وثباتها الحراري والكيميائي الملحوظ.

2. البنية البلورية والخصائص الرئيسية

يعتمد نيتريد البورون Wurtzite على نظام بلوري سداسي الأضلاع مع المجموعة الفضائية P6₃mc. ويتميز برباعي ذرات البورون والنيتروجين المنسقة رباعي الأوجه والمرتبة في شبكة ثلاثية الأبعاد مشابهة لبنية Wurtzite من ZnS أو GaN. وتكون كل رابطة B-N تساهم في صلابة المادة الميكانيكية الاستثنائية.

مقارنةً بمتعدد الأشكال BN الأخرى:

• h-BN: بنية طبقية مثل الجرافيت؛ قوى بينية ضعيفة بين الطبقات، تزييت جيد.

• c-BN: بنية مكعبة من الزنك-الزنك-بليند؛ ثاني أصلب مادة معروفة بعد الماس.

• ث-ب ن: تناسق رباعي الأوجه ولكن مرتبة في شبكة وورتزايت؛ من المتوقع أن يكون لها قوة ثقب أعلى من كل من c-BN والماس بسبب آليات التشوه الفريدة من نوعها تحت الضغط.

البارامترات الشبكية ل w-BN:

• أ ≈ 2.55 Å

• ج ≈ 4.23 Å

3. الارتباط بين البنية والأداء

3.1 الصلابة مقابل المتانة

• يؤدي الترابط القوي من نوع sp^3 من النوع B-N في Wurtzite BN إلى الصلابة، لكن تناظرها غير المكعب يعزز الصلابة في اتجاهات معينة.

3.2 السلوك الحراري والأكسدة

• يمكن أن يؤثر التمدد الحراري المعتمد على الاتجاه على سلامة الفيلم، وهو أمر بالغ الأهمية في الطلاءات عالية الحرارة أو ركائز الإلكترونيات الدقيقة.

3.3 الخواص الكهربائية

• تحدّ فجوة النطاق العريضة من حركة الإلكترونات، لكن سمك الغشاء والتحكم في العيوب يمكن أن يكيّف خصائص العزل الكهربائي للاستخدامات الإلكترونية الدقيقة.

4. مناهج التوليف

إنتاج w-BN ليس بالأمر الهيّن، إذ يتطلّب ظروفًا محكومة بإحكام ومعدات متخصصة:

4.1 التحويل بالضغط العالي والحرارة العالية (HPHT)
عادةً ما يتم تصنيع ثنائي النفثالينات المرتجعة عن طريق تحويل ثنائي النفثالينات المرتفعة أو ثنائي النفثالينات تحت ضغط شديد (7-20 جيجا باسكال) ودرجة حرارة عالية (1700-2200 درجة مئوية). وغالبًا ما تُستخدم المعادن الانتقالية مثل Ni أو Co كمحفزات. وتنتج هذه العملية بلورات صغيرة مدمجة في المرحلة الأصلية، مما يحد من قابلية التوسع.

4.2 ضغط الصدمة
يمكن أن يؤدي ضغط الموجة الصدمية ل h-BN باستخدام تقنيات التفجير أو الليزر إلى تحفيز التحول العابر إلى w-BN. وتنتج هذه العملية السريعة غير المتوازنة مناطق نانوية من ثنائي النفثالينات ثنائية الفينيل ثنائي الفينيل ولكنها تطرح تحديات في التكرار.

4.3 الترسيب النبضي بالليزر (PLD)
تم استكشاف عملية الترسيب النبضي بالليزر النبضي (PLD) لتنمية أغشية رقيقة من ثنائي نيترو نيترو نيتروجين مع ميزات تشبه الورتزيت على ركائز مثل الياقوت أو SiC. وتبقى بلورة الفيلم ونقاء الطور مشكلة، ولكن هذه الطريقة توفر تحكمًا في بارامترات الترسيب.

4.4 الزرع الأيوني والتلدين
قد يؤدي غرس أيونات النيتروجين أو البورون في ركائز ذات طبقات متبوعة بالتلدين عند ضغط مرتفع إلى استقرار طور الورتزيت. ولا تزال الأبحاث جارية لتحسين جرعات الطاقة وبروتوكولات التلدين.

5. آفاق التطبيق ودراسات الحالة

5.1 الطلاءات والمواد الكاشطة فائقة الصلابة
طلاء أدوات التصنيع الدقيق، على سبيل المثال، شفرات تقطيع رقائق السيليكون. تُظهر الاختبارات المعملية المبكرة مقاومة تآكل محسنة على طلاءات c-BN في ظل الأحمال القوية.

5.2 طبقات واقية عالية الحرارة
يتم ترسيبها عبر تقنية PVD على شفرات التوربينات أو بطانات غرفة الاحتراق أو أجزاء المفاعل لتعزيز عمر الأجزاء في الأجواء المؤكسدة.

5.3 الطبقات الإلكترونية الدقيقة وركائز الطاقة
إمكانية استخدامها كطبقات أساسية عازلة وموزعة للحرارة لأشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة مثل GaN أو SiC. تُظهر النماذج الأولية المبكرة متانة محسنة للتدوير الحراري.

5.4 الأبحاث في النوافذ والمستشعرات الضوئية
تشير الخصائص الشفافة للأشعة فوق البنفسجية (حوالي 220 نانومتر) والصلابة إلى استخدامها في النوافذ ذات الدرجة الفضائية وأجهزة الاستشعار المنزلقة في البيئات المعادية.

6. الملخص

يمثل نيتريد البورون Wurtzite عضوًا فريدًا ومثيرًا للاهتمام في عائلة BN. وعلى الرغم من عدم توفره بكميات تجارية حتى الآن، إلا أن صلابته النظرية المتميزة ومرونته الكيميائية تجعله هدفًا مقنعًا للتطبيقات المتقدمة التي لا تتناسب مع السيراميك التقليدي. ومع تحسن طرق التخليق، قد يتطور ثنائي نيترو ثنائي نيترو نيوتن من مجرد فضول علمي إلى مادة عالية الأداء ذات أهمية استراتيجية.

في Stanford Advanced Materials، نحن نوفر مجموعة من منتجات نيتريد البورون بما في ذلك مساحيق نيتريد ثنائي النيتروز ومواد أخرى قائمة على نيتروز ثنائي النيتروز للتطبيقات الحرارية والعزل الكهربائي ومقاومة التآكل الصعبة. وسواء كنت تبحث عن مصادر للبيئات ذات درجات الحرارة العالية أو تستكشف خيارات السيراميك المتقدمة، فإن فريقنا موجود هنا لدعم اختيار المواد واحتياجاتك من المشتريات.