Композит нитрида бора, созданный в лаборатории Райса, может быть полезен для применения в передовых технологиях.

Точно так же, как углерод составляет хрупкую сердцевину карандаша № 2 и алмаз, который тверже стали, в режущем инструменте, нитрид бора образует соединения, которые могут быть мягкими или твердыми. Однако, в отличие от углерода, о формах нитрида бора и их реакции на изменение температуры и давления известно гораздо меньше.

Ученые из Университета Райса смешали гексагональный нитрид бора — мягкую разновидность, также известную как «белый графит» — с кубическим нитридом бора — материалом, вторым после алмаза по твердости — и обнаружили, что полученный нанокомпозит взаимодействует со светом и теплом неожиданным образом, что может быть полезно. в микрочипах следующего поколения, квантовых устройствах и других приложениях передовых технологий.

«Гексагональный нитрид бора широко используется в различных продуктах, таких как покрытия, смазочные материалы и косметика», — сказал Абхиджит Бисвас, ученый-исследователь, который является ведущим автором исследования, опубликованного в Nano Letters. «Она довольно мягкая, отличная смазка и очень легкая. Он также дешев и очень стабилен при комнатной температуре и атмосферном давлении.

«Кубический нитрид бора также является очень интересным материалом, свойства которого делают его очень перспективным для использования в электронике. В отличие от гексагонального нитрида бора, он очень твердый — по твердости он близок к алмазу».

Комбинация этих двух, казалось бы, противоположных материалов превзошла исходные материалы по различным функциональным возможностям.

«Мы обнаружили, что композит имеет низкую теплопроводность, что означает, что он может служить, например, теплоизоляционным материалом в электронных устройствах», — сказал Бисвас. «Тепловые и оптические свойства смешанного материала сильно отличаются от средних свойств двух разновидностей нитрида бора».

Ханью Чжу, один из авторов исследования, сказал, что он ожидал, что «измеряемое нами оптическое свойство, называемое генерацией второй гармоники, будет небольшим для этого типа неупорядоченного материала.

«Но на самом деле после нагревания он оказывается довольно большим, на порядок больше, чем у отдельного материала и необработанной смеси».

Он сказал, что атомы бора и азота в композите проявляют большую регулярность и образуют более крупные зерна, где зерно обозначает размер группы атомов, когерентно выстроенных в решетке.

«Мы были удивлены, обнаружив, что кубические зерна нитрида бора растут, а не уменьшаются в этом материале из мелких зерен в несмешанных исходных соединениях», — сказал Чжу, заведующий кафедрой риса Уильяма Марша и доцент кафедры материаловедения и наноинженерии.

Теоретические предсказания и экспериментальные результаты привели к конкурирующим утверждениям о том, какая из двух разновидностей нитрида бора более стабильна:

«Некоторые теоретики говорят, что в условиях окружающей среды кубический нитрид бора более стабилен», — сказал Бисвас. «Экспериментально люди увидели, что гексагональный нитрид бора очень стабилен. Поэтому, если вы спросите кого-нибудь, какая фаза нитрида бора наиболее стабильна, он, скорее всего, ответит: гексагональный нитрид бора. То, что мы видим экспериментально, противоположно тому, что люди говорят теоретически, и это все еще остается предметом дискуссий».

Когда композит был подвергнут быстрой высокотемпературной технологии, известной как искровое плазменное спекание, он превратился в гексагональный нитрид бора. Бисвас сказал, что это подтвердило теоретические предсказания и помогло составить более полную картину того, «какие разновидности нитридов бора появляются при каких условиях».

При этом полученный после такой обработки гексагональный нитрид бора был более высокого качества, чем тот, который изначально использовался для смеси.

«Следующим мы рассмотрим вопрос о том, улучшает ли технология искрового плазменного спекания качество гексагонального нитрида бора сама по себе, или же для достижения такого эффекта нужен композит», — сказал Бисвас.

«Что интересно в этом исследовании, так это то, что оно открывает возможности для адаптации материалов из нитрида бора с нужным количеством гексагональных и кубических структур, что позволяет получить широкий диапазон индивидуальных механических, тепловых, электрических и оптических свойств этого материала», — сказал Пуликель. Аджаян, автор-корреспондент исследования и заведующий кафедрой материаловедения и наноинженерии Райс. Аджаян — профессор инженерных наук Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон, а также профессор материаловедения и наноинженерии, химии, химической и биомолекулярной инженерии.