За пределами графена: исключительная сила двух

По мере развития технологий ученые ищут новые материалы, отвечающие требованиям нашего постоянно меняющегося мира. Одной из наиболее многообещающих категорий являются двумерные (2D) материалы толщиной всего в несколько атомов. Среди них нитрид бора (BN), неорганическое соединение, состоящее из равного числа атомов бора и азота, в настоящее время является предметом многочисленных исследований и разработок. BN — уникальный материал, свойства которого могут варьироваться в зависимости от расположения атомов B и N.

Различные формы BN изоструктурны углеродным материалам. Кубическая форма BN (c-BN) имеет кристаллическую структуру, аналогичную структуре алмаза, а гексагональная структура BN (h-BN), которая является наиболее стабильной кристаллической формой, напоминает графит. Из-за этой изоструктурной особенности h-BN также называют «белым графитом». Это слоистый материал, в каждом слое которого атомы азота и бора прочно связаны ковалентными связями в сотовой решетке. Слои удерживаются вместе благодаря слабым взаимодействиям — силам Ван-дер-Ваальса. Однако межслоевое расположение этих листов отличается от модели, наблюдаемой для графита, поскольку атомы расположены в шахматном порядке, что приводит к нескольким политипам, наиболее известным после h-BN является ромбоэдрический (r-BN). В h-BN атомы B находятся над атомами N. Эта структура обеспечивает чрезвычайно стабильный керамический материал с высокой теплопроводностью, который также является отличным электрическим изолятором со сверхширокой запрещенной зоной около 6 эВ. В последние годы, с появлением графена1 и последующим прогрессом исследований одно- и многослойных графитовых нанолистов, возрос интерес к 2D h-BN.

Обладая той же сотовой структурой и параметрами решетки, удивительно близкими к параметрам графита2, его часто считают идеальной изолирующей подложкой для графена и лучшим барьерным материалом в гетероструктурах VdW.3 Все эти свойства делают h-BN идеальным для использования в электроника, фотоника и оптоэлектроника, где его можно использовать для создания разнообразных устройств, в том числе транзисторов, фотоприемников и датчиков. В результате h-BN стал ключевым материалом в двумерных исследованиях материалов и многообещающим кандидатом для будущих технологических инноваций.4

По всем этим причинам становится все более важным разработать эффективные и экономически выгодные методы синтеза листов h-BN. H-BN не встречается в природе, поскольку его синтез представляет собой сложный процесс из-за высокой реакционной способности его компонентов, которые необходимо объединять в определенных соотношениях при экстремальных температурах и давлениях, чего может быть сложно достичь. Таким образом, BN производится только синтетическим путем, в основном из чистого бора, борной кислоты (H3BO3)5 или триоксида бора (B2O3).

В последние годы были разработаны другие методы синтеза 2D-наноструктур h-BN. Можно выделить два основных подхода: подход «снизу вверх» и подход «сверху вниз». Подход «снизу вверх» предполагает выращивание или сборку наноструктур BN из небольших строительных блоков. Этими строительными блоками могут быть как неорганические, так и органические молекулы. Например, нанолисты h-BN могут быть синтезированы из молекул боразина (B3N3H6) с использованием химического осаждения из паровой фазы (CVD) — химического процесса, в котором паровая фаза используется для нанесения тонкой пленки материала на подложку. Боразин обычно подают в высокотемпературный реактор, где он разлагается с образованием слоев h-BN на подложке. Пленки h-BN, осажденные методом CVD, в основном являются поликристаллическими с размером зерна обычно несколько десятков микрометров и треугольной формой. Можно получить отложения в масштабе пластины, но часто необходимо перенести их на целевую подложку для интеграции в промышленный процесс. С другой стороны, метод «сверху вниз» предполагает использование уже существующего объемного материала h-BN, а затем постепенное уменьшение его размера до достижения желаемой толщины. Этот подход обычно используется для производства нанолистов h-BN с использованием химического или механического расслаивания, чтобы разрушить силы Ван-дер-Ваальса между гексагональными слоями и физически отделить полученные двумерные листы h-BN от объемного материала. Даже если размер расслаивающихся структур обычно уменьшен и их выход может быть небольшим, исходное качество исходного объемного материала после отшелушивания сохраняется. Поэтому важно иметь большие (порядка нескольких миллиметров) монокристаллические источники h-BN в качестве исходных материалов для расслаивания 2D-листов h-BN, которые можно в дальнейшем интегрировать в коммерческие устройства. Однако получение кристаллов размером до миллиметра остается сложной задачей.