Нанолист из нитрида бора - Boron nitride nanosheet

Двухслойный нанолист BN.
Изображения нанолиста BN с атомным разрешением, полученные методом CVD.[1]

Нанолист из нитрида бора представляет собой двумерную кристаллическую форму гексагональной нитрид бора (h-BN), который имеет толщину от одного до нескольких атомных слоев. По геометрии похож на полностью углеродный аналог. графен, но имеет очень разные химические и электронные свойства - в отличие от черного и высокопроводящего графена, нанолисты BN являются электрические изоляторы с запрещенная зона ~ 5,9 эВ, поэтому они имеют белый цвет.[2]

Однородные одноатомные нанолисты BN могут быть нанесены каталитическим разложением боразин при температуре ~ 1100 ° C в химическое осаждение из паровой фазы установка, над областями подложки примерно до 10 см2. Благодаря гексагональной атомной структуре, небольшому рассогласованию решеток с графеном (~ 2%) и высокой однородности они используются в качестве подложек для устройств на основе графена.[2][3]

Структура

Нанолисты БН состоят из зр2 -сопряженный бор и азот атомы, образующие сотовую структуру.[4][5] Они содержат два разных края: кресло и зигзаг. Край кресла состоит из атомов бора или азота, а зигзагообразный край состоит из чередующихся атомов бора и азота. Эти 2D-структуры могут накладываться друг на друга и удерживаться Силы Ван-дер-Ваальса для формирования многослойных нанолистов из нитрида бора. В этих структурах атомы бора одного листа расположены сверху или снизу атомов азота из-за электронодефицитной природы бора и богатой электронами природы азота.[5][6]

Синтез

ССЗ

Химическое осаждение из паровой фазы является наиболее распространенным методом производства нанолистов BN, поскольку это хорошо отработанный и хорошо контролируемый процесс, позволяющий получать высококачественный материал на площадях, превышающих 10 см.2.[2][6] Существует широкий спектр прекурсоров бора и нитридов для синтеза CVD, таких как боразин, а их выбор зависит от токсичности,[6] стабильность,[5][6] реактивность,[6] и природа метода CVD.[5][6][7]

Механический раскол

Типичная электронная микрофотография нанолистов BN, полученных с помощью шаровой мельницы (шкала 50 нм).[8]

Методы механического расщепления нитрида бора используют силы сдвига для разрушения слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий между слоями BN.[5] Сколотые нанолисты имеют низкую плотность дефектов и сохраняют поперечный размер исходной подложки.[5][6] Вдохновленный его использованием в изоляции графена, микромеханическое расщепление, также известное как метод скотча, было использовано для последовательной изоляции многослойных и однослойных нанолистов из нитрида бора путем последующего отслаивания исходного материала с помощью липкой ленты.[5][6] Недостаток этого метода в том, что он не масштабируется для крупносерийного производства.[5][6][7]

Листы из нитрида бора можно также расслаивать шаровая мельница, где поперечные силы прикладываются к поверхности объемного нитрида бора путем катания шариков.[9] Этот метод позволяет получать большое количество некачественного материала с плохим контролем его свойств.[5][6]

Распаковка нанотрубок нитрида бора

Нанолисты BN могут быть синтезированы распаковкой нанотрубки из нитрида бора через калий вставка или травление плазмой или инертным газом. Здесь метод интеркаляции имеет относительно низкий выход, поскольку нитрид бора устойчив к воздействию интеркаляторов.[5][6] Распаковка нанотрубок нитрида бора на наноленты in situ была достигнута Li et al.[10]

Эксфолиация и обработка ультразвуком

Растворитель отшелушивания часто используется в сочетании с обработка ультразвуком для изоляции больших количеств нанолистов из нитрида бора. Полярные растворители, такие как изопропиловый спирт[6] и DMF[11] являются более эффективными для отшелушивания слоев нитрида бора, чем неполярные растворители, поскольку эти растворители обладают аналогичным поверхностная энергия к поверхностной энергии нанолистов нитрида бора. Комбинации различных растворителей также расслаивают нитрид бора лучше, чем отдельные растворители.[5] Многие растворители, подходящие для отшелушивания BN, довольно токсичны и дороги, но их можно заменить водой и изопропиловым спиртом без значительного ущерба для выхода.[5][6][11]

Химическая функционализация и обработка ультразвуком

Химическая функционализация нитрида бора включает прикрепление молекул к внешнему и внутреннему слоям объемного нитрида бора.[6] Существует три типа функционализации BN: ковалентная, ионная и / или нековалентная.[5] Слои расслаиваются, помещая функционализированный BN в растворитель и позволяя силе сольватации между присоединенными группами и растворителем разрушать силы Ван-дер-Вааль между слоями BN.[7] Этот метод немного отличается от эксфолиации растворителем, который основан на сходстве между поверхностной энергией слоев растворителя и нитрида бора.

Твердотельные реакции

Нагревание смеси прекурсоров бора и азота, например борная кислота и мочевина, может производить нанолисты нитрида бора.[5][7] Количество слоев в этих нанолистах контролировалось температурой (около 900 ˚C) и содержанием мочевины.[7]

Свойства и приложения

Механические свойства. Однослойный нитрид бора имеет средний модуль Юнга 0,865 ТПа и прочность на излом 70,5 ГПа. В отличие от графена, прочность которого резко падает с увеличением толщины, многослойные листы нитрида бора имеют прочность, аналогичную прочности однослойного нитрида бора.[12]

Теплопроводность. Теплопроводность атомарно тонкого нитрида бора одна из самых высоких среди полупроводников и электрических изоляторов; она увеличивается с уменьшением толщины из-за меньшего сцепления между слоями.

Термическая стабильность. Стабильность графена на воздухе демонстрирует четкую зависимость от толщины: монослойный графен реагирует с кислородом при 250 ° C, сильно легирован при 300 ° C и травлен при 450 ° C; напротив, объемный графит не окисляется до 800 ° C.[13] Атомно тонкий нитрид бора имеет гораздо лучшую стойкость к окислению, чем графен. Однослойный нитрид бора не окисляется до 700 ° C и выдерживает на воздухе до 850 ° C; Двухслойные и трехслойные нанолисты нитрида бора имеют немного более высокие температуры начала окисления.[14] Превосходная термическая стабильность, высокая водонепроницаемость для газа и жидкости и электрическая изоляция делают атомарно тонкие потенциальные покрывающие материалы из нитрида бора для предотвращения окисления поверхности и коррозии металлов[15][16] и другие двумерные (2D) материалы, такие как черный фосфор.[17]

Лучшая адсорбция на поверхности. Было обнаружено, что атомно тонкий нитрид бора обладает лучшими способностями к поверхностной адсорбции, чем объемный гексагональный нитрид бора.[18] Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, атомарно тонкий нитрид бора в качестве адсорбента испытывает конформационные изменения при поверхностной адсорбции молекул, увеличивая энергию и эффективность адсорбции. Синергетический эффект атомной толщины, высокой гибкости, более сильной адсорбционной способности поверхности, электрической изоляции, непроницаемости, высокой термической и химической стабильности нанолистов BN может повысить чувствительность комбинационного рассеяния до двух порядков и, тем временем, обеспечить долгосрочную стабильность и исключительная возможность многократного использования, недоступная для других материалов.[19][20]

Диэлектрические свойства. Атомно тонкий гексагональный нитрид бора является отличной диэлектрической подложкой для графена, дисульфида молибдена (MoS2) и многие другие электронные и фотонные устройства на основе 2D-материалов. Как показали исследования с помощью электрической силовой микроскопии (EFM), экранирование электрического поля в атомарно тонком нитриде бора демонстрирует слабую зависимость от толщины, что соответствует плавному спаду электрического поля внутри многослойного нитрида бора, обнаруженному из первых принципов. расчеты.[21]

Рамановские характеристики. Рамановская спектроскопия была полезным инструментом для изучения различных 2D-материалов, и о рамановской характеристике высококачественного атомно-тонкого нитрида бора впервые сообщили Горбачев и др.[22] и Ли и др.[14] Однако два опубликованных результата комбинационного рассеяния монослоя нитрида бора не согласуются друг с другом. Cai et al. проведены систематические экспериментальные и теоретические исследования собственного рамановского спектра атомно-тонкого нитрида бора.[23] Они показывают, что в отсутствие взаимодействия с подложкой атомарно тонкий нитрид бора имеет частоту G-полосы, аналогичную частоте объемного гексагонального нитрида бора, но деформация, вызванная подложкой, может вызывать рамановские сдвиги. Тем не менее, комбинационную интенсивность G-полосы можно использовать для оценки толщины слоя и качества образца.

Нанолисты BN являются электрическими изоляторами и имеют широкую запрещенную зону ~ 5.9 эВ, которая может быть изменена наличием Стоун – Уэльс дефекты внутри структуры, путем легирования или функционализации, или путем изменения количества слоев.[4][6] Благодаря гексагональной атомной структуре, небольшому рассогласованию кристаллической решетки с графеном (~ 2%) и высокой однородности нанолисты BN используются в качестве подложек для устройств на основе графена.[2][3] Нанолисты BN также превосходны протон проводники. Их высокая скорость переноса протонов в сочетании с высоким электрическим сопротивлением может привести к применению в топливные элементы и электролиз воды.[24]

Рекомендации

  1. ^ Алдалбахи, Али; Чжоу, Эндрю Фэн; Фэн, Питер (2015). «Вариации кристаллической структуры и электрических свойств монокристаллических нанолистов нитрида бора». Научные отчеты. 5: 16703. Bibcode:2015НатСР ... 516703А. Дои:10.1038 / srep16703. ЧВК  4643278. PMID  26563901.
  2. ^ а б c d Пак, Джи-Хун; Пак, Джин Чхоль; Юн, Сок Джун; Ким, Хён; Луонг, Динь Хоа; Ким, Су Мин; Чой, Су Хо; Ян, Вучул; Конг, Цзин; Ким, Ки Канг; Ли, Ён Хи (2014). «Однослойный гексагональный нитрид бора большой площади на платиновой фольге». САУ Нано. 8 (8): 8520–8. Дои:10.1021 / nn503140y. PMID  25094030.
  3. ^ а б Ву, Q; Park, J. H .; Парк, S; Jung, S. J .; Suh, H; Парк, N; Вонгвирияпан, Вт; Ли, S; Lee, Y.H .; Песня, Ю. Дж. (2015). «Монокристаллическая пленка гексагонального атомного монослоя нитрида бора путем контроля зародышей и доменов». Научные отчеты. 5: 16159. Bibcode:2015НатСР ... 516159W. Дои:10.1038 / srep16159. ЧВК  4633619. PMID  26537788.
  4. ^ а б Ли, Лу Хуа; Чен, Ин (2016). «Атомно тонкий нитрид бора: уникальные свойства и применение». Современные функциональные материалы. 26 (16): 2594–2608. arXiv:1605.01136. Дои:10.1002 / adfm.201504606.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Bhimanapati, G.R .; Главин, Н.Р .; Робинсон, Дж. А. (01.01.2016). Якопи, Франческа; Boeckl, John J .; Джагадиш, Ченнупати (ред.). Полупроводники и полуметаллы. 2D материалы. 95. Эльзевир. С. 101–147. Дои:10.1016 / bs.semsem.2016.04.004. ISBN  978-0-12-804272-4. Cite использует устаревший параметр | editorlink1 = (помощь)
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о Линь, Йи; Коннелл, Джон В. (2012). «Достижения в 2D наноструктурах нитрида бора: нанолисты, наноленты, наносы и гибриды с графеном». Наномасштаб. 4 (22): 6908–39. Bibcode:2012Nanos ... 4.6908L. Дои:10.1039 / c2nr32201c. PMID  23023445.
  7. ^ а б c d е Ван, Цзыфэн; Тан, Цзыцзе; Сюэ, Ци; Хуанг, Ян; Хуанг, Ян; Чжу, Миншэнь; Пей, Цзэнся; Ли, Хунфэй; Цзян, Хунбо (2016). "Изготовление нанолистов нитрида бора отшелушиванием". Химический рекорд. 16 (3): 1204–1215. Дои:10.1002 / tcr.201500302. PMID  27062213.
  8. ^ Лэй, Вэйвэй; Мочалин, Вадим Н .; Лю, Дан; Цинь, Си; Гогоци, Юрий; Чен, Ин (2015). «Коллоидные растворы нитрида бора, сверхлегкие аэрогели и отдельно стоящие мембраны посредством одноэтапного отшелушивания и функционализации». Nature Communications. 6: 8849. Bibcode:2015НатКо ... 6E8849L. Дои:10.1038 / ncomms9849. ЧВК  4674780. PMID  26611437.
  9. ^ Ли, Лу Хуа; Чен, Инь; Бехан, Гэвин; Чжан, Хунчжоу; Петравич, Младен; Глушенков, Алексей М. (2011). «Масштабное механическое удаление нанолистов из нитрида бора с помощью низкоэнергетической шаровой мельницы». Журнал химии материалов. 21 (32): 11862. Дои:10.1039 / c1jm11192b.
  10. ^ Ли, Линг; Ли, Лу Хуа; Чен, Инь; Dai, Xiujuan J .; Lamb, Peter R .; Ченг, Бин-Мин; Линь, Мэн-Йе; Лю, Сяовэй (2013). «Высококачественные наноленты нитрида бора: распаковка во время синтеза нанотрубок». Angewandte Chemie. 125 (15): 4306–4310. Дои:10.1002 / ange.201209597.
  11. ^ а б Чжи, Чуньи; Бандо, Йошио; Тан, Чэнчунь; Кувахара, Хироаки; Гольберг, Дмитрий (2009). «Крупномасштабное производство нанолистов нитрида бора и их использование в полимерных композитах с улучшенными термическими и механическими свойствами». Современные материалы. 21 (28): 2889–2893. Дои:10.1002 / adma.200900323.
  12. ^ Фалин, Алексей; Цай, Циран; Сантос, Элтон Дж. Дж .; Скаллион, Деклан; Цянь, Дун; Чжан, Руи; Ян, Чжи; Хуанг, Шаомин; Ватанабэ, Кендзи (2017). «Механические свойства атомарно тонкого нитрида бора и роль межслоевых взаимодействий». Nature Communications. 8: 15815. Bibcode:2017НатКо ... 815815F. Дои:10.1038 / ncomms15815. ЧВК  5489686. PMID  28639613.
  13. ^ Лю, Ли; Рю, Сонмин; Tomasik, Michelle R .; Столярова, Елена; Юнг, Наён; Hybertsen, Mark S .; Steigerwald, Michael L .; Brus, Louis E .; Флинн, Джордж У. (2008). «Окисление графена: травление в зависимости от толщины и сильное химическое легирование». Нано буквы. 8 (7): 1965–1970. arXiv:0807.0261. Bibcode:2008NanoL ... 8.1965L. Дои:10.1021 / nl0808684. PMID  18563942.
  14. ^ а б Ли, Лу Хуа; Червенка, Иржи; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Чен, Ин (2014). "Сильная стойкость к окислению атомно-тонких нанолистов нитрида бора". САУ Нано. 8 (2): 1457–1462. arXiv:1403.1002. Дои:10.1021 / nn500059s. PMID  24400990.
  15. ^ Ли, Лу Хуа; Син, Тан; Чен, Инь; Джонс, Роб (2014). «Нанолисты: нанолисты нитрида бора для защиты металлов (Adv. Mater. Interfaces 8/2014)». Интерфейсы Advanced Materials. 1 (8): н / д. Дои:10.1002 / admi.201470047.
  16. ^ Лю, Чжэн; Гонг, Юнцзи; Чжоу, Ву; Ма, Лулу; Ю, Цзинцзян; Идробо, Хуан Карлос; Юнг, Джейл; MacDonald, Allan H .; Вайтай, Роберт (2013). «Ультратонкие высокотемпературные стойкие к окислению покрытия из гексагонального нитрида бора». Nature Communications. 4 (1): 2541. Bibcode:2013 НатКо ... 4E2541L. Дои:10.1038 / ncomms3541. PMID  24092019.
  17. ^ Чен, Сяолун; У, Иньин; Ву, Цзэфэй; Хан, Ю; Сюй, Шуйган; Ван, Линь; Е, Вэйгуан; Хан, Тяньи; Он, Yuheng (2015). «Качественная прослоенная гетероструктура черного фосфора и ее квантовые колебания». Nature Communications. 6 (1): 7315. arXiv:1412.1357. Bibcode:2015 НатКо ... 6E7315C. Дои:10.1038 / ncomms8315. ЧВК  4557360. PMID  26099721.
  18. ^ Цай, Циран; Ду, Айджун; Гао, Гопин; Матети, Шрикантх; Cowie, Bruce C.C .; Цянь, Дун; Чжан, Шуанг; Лу, Юеруи; Фу, Лан (2016). «Конформационное изменение, индуцированное молекулами в нанолистах нитрида бора с повышенной поверхностной адсорбцией». Современные функциональные материалы. 26 (45): 8202–8210. arXiv:1612.02883. Дои:10.1002 / adfm.201603160.
  19. ^ Цай, Циран; Матети, Шрикантх; Ян, Вэньронг; Джонс, Роб; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Хуанг, Шаомин; Чен, Инь; Ли, Лу Хуа (2016). "Внутренняя сторона задней обложки: Нанолисты нитрида бора улучшают чувствительность и возможность многократного использования поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (Angew. Chem. Int. Ed. 29/2016)". Angewandte Chemie International Edition. 55 (29): 8457. Дои:10.1002 / anie.201604295.
  20. ^ Цай, Циран; Матети, Шрикантх; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Хуанг, Шаомин; Чен, Инь; Ли, Лу Хуа (2016). "Наночастицы золота, покрытые нанолистом нитрида бора, для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света". Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 8 (24): 15630–15636. arXiv:1606.07183. Дои:10.1021 / acsami.6b04320. PMID  27254250.
  21. ^ Ли, Лу Хуа; Santos, Elton J. G .; Син, Тан; Каппеллути, Эммануэле; Рольдан, Рафаэль; Чен, Инь; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши (2015). «Диэлектрическое экранирование в атомно-тонких нанолистах нитрида бора». Нано буквы. 15 (1): 218–223. arXiv:1503.00380. Bibcode:2015НаноЛ..15..218Л. Дои:10.1021 / nl503411a. PMID  25457561.
  22. ^ Горбачев, Роман В .; Риаз, Ибцам; Nair, Rahul R .; Джалил, Рашид; Бритнелл, Лиам; Belle, Branson D .; Хилл, Эрни В .; Новоселов, Костя С .; Ватанабэ, Кендзи (2011). «Охота на однослойный нитрид бора: оптические и рамановские подписи». Маленький. 7 (4): 465–468. arXiv:1008.2868. Дои:10.1002 / smll.201001628. PMID  21360804.
  23. ^ Цай, Циран; Скаллион, Деклан; Фалин, Алексей; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Чен, Инь; Santos, Elton J. G .; Ли, Лу Хуа (2017). «Рамановская сигнатура и фононная дисперсия атомарно тонкого нитрида бора». Наномасштаб. 9 (9): 3059–3067. arXiv:2008.01656. Дои:10.1039 / c6nr09312d. PMID  28191567.
  24. ^ Hu, S .; и другие. (2014). «Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом». Природа. 516 (7530): 227–230. arXiv:1410.8724. Bibcode:2014Натура.516..227H. Дои:10.1038 / природа14015. PMID  25470058.