Nanosheet nitridu boru - Boron nitride nanosheet

Dvouvrstvá BN nanoplech.
Obrázky atomového rozlišení BN nanosheet připravené CVD.[1]

Nanosheet nitridu boru je dvourozměrná krystalická forma šestiúhelníku nitrid boru (h-BN), který má tloušťku jedné až několika atomových vrstev. Je to podobné geometrie jako jeho all-uhlíkový analog grafen, ale má velmi odlišné chemické a elektronické vlastnosti - na rozdíl od černého a vysoce vodivého grafenu jsou BN nanosety elektrické izolátory s mezera v pásmu ~ 5,9 eV, a proto vypadají bíle.[2]

Jednotné monoatomové BN nanosety lze ukládat katalytickým rozkladem borazin při teplotě ~ 1100 ° C v a chemická depozice par nastavení, přes plochy substrátu až do přibližně 10 cm2. Díky své hexagonální atomové struktuře, malému nesouladu mřížky s grafenem (~ 2%) a vysoké uniformitě se používají jako substráty pro zařízení na bázi grafenu.[2][3]

Struktura

BN nanosety sestávají z sp2 -konjugovaný bór a dusík atomy, které tvoří strukturu voštin.[4][5] Obsahují dva různé okraje: křeslo a cik-cak. Hrana křesla se skládá buď z atomů boru nebo dusíku, zatímco klikatá hrana se skládá ze střídavých atomů boru a dusíku. Tyto 2D struktury se mohou skládat na sebe a drží je Van der Waalsovy síly za vzniku několikavrstvých nanosheidů nitridu boritého. V těchto strukturách jsou atomy boru jedné vrstvy umístěny nahoře nebo pod atomy dusíku v důsledku elektronově nedostatečné povahy boru a elektronově bohaté povahy dusíku.[5][6]

Syntéza

CVD

Chemická depozice par je nejběžnější metodou pro výrobu BN nanočástic, protože se jedná o zavedený a vysoce kontrolovatelný proces, který poskytuje vysoce kvalitní materiál na plochách přesahujících 10 cm2.[2][6] Existuje široká škála prekurzorů boru a nitridů pro syntézu CVD, jako např borazin a jejich výběr závisí na toxicitě,[6] stabilita,[5][6] reaktivita,[6] a povaha metody CVD.[5][6][7]

Mechanické štěpení

Typický elektronový mikrofotografie BN nanosheets připravených mletím kuliček (měřítko 50 nm).[8]

Metody mechanického štěpení nitridu boru používají smykové síly k rozbití slabých van der Waalsových interakcí mezi vrstvami BN.[5] Štěpené nanosety mají nízkou hustotu defektů a zachovávají si boční velikost původního substrátu.[5][6] Inspirován jeho použitím při izolaci grafenu, bylo použito mikromechanické štěpení, známé také jako metoda Scotch-tape, ke konzistentní izolaci několikavrstvých a jednovrstevných nanosidů nitridu boru jednovrstvým následným odlupováním výchozího materiálu lepicí páskou.[5][6] Nevýhodou této techniky je, že není škálovatelná pro velkovýrobu.[5][6][7]

Listy nitridu boru lze také exfoliovat kulové frézování, kde jsou smykové síly aplikovány na povrch sypkého nitridu boru valivými koulemi.[9] Tato technika poskytuje velké množství nekvalitního materiálu se špatnou kontrolou jeho vlastností.[5][6]

Rozepnutí nanotrubiček z nitridu boru

BN nanosheety lze syntetizovat rozbalením nanotrubice z nitridu boru prostřednictvím draslíku interkalace nebo leptání plazmou nebo inertním plynem. Zde má metoda interkalace relativně nízký výtěžek, protože nitrid boru je odolný vůči účinkům interkalátů.[5][6] Li et al. Dosáhli in situ rozepnutí nanotrubiček nitridu boru na nanoribony.[10]

Exfoliace rozpouštědla a použití ultrazvuku

Exfoliace rozpouštědlem se často používá společně s sonikace izolovat velké množství nanosheidů nitridu boritého. Polární rozpouštědla, jako je isopropylalkohol[6] a DMF[11] jsou účinnější při odlupování vrstev nitridu boru než nepolární rozpouštědla, protože tato rozpouštědla mají podobné vlastnosti povrchová energie na povrchovou energii nanosheidů nitridu boritého. Kombinace různých rozpouštědel také exfoliují nitrid boru lépe než jednotlivá rozpouštědla.[5] Mnoho rozpouštědel vhodných pro exfoliaci BN je poměrně toxických a nákladných, ale lze je nahradit vodou a isopropylalkoholem, aniž by se výrazně snížil výtěžek.[5][6][11]

Chemická funkcionalizace a použití ultrazvuku

Chemická funkcionalizace nitridu boru zahrnuje připojení molekul na vnější a vnitřní vrstvu objemového nitridu boru.[6] Existují tři typy BN funkcionalizace: kovalentní, iontové a nekovalentní.[5] Vrstvy se odlupují umístěním funkcionalizovaného BN do rozpouštědla a ponecháním solvatační síly mezi připojenými skupinami a rozpouštědlem rozbít van der Waalovy síly mezi BN vrstvami.[7] Tato metoda se mírně liší od exfoliace rozpouštědlem, která se opírá o podobnosti mezi povrchovými energiemi rozpouštědla a vrstvami nitridu boru.

Reakce v pevné fázi

Zahřívání směsi prekurzorů boru a dusíku, jako je např kyselina boritá a močovina, může vyrábět nanosety nitridu boru.[5][7] Počet vrstev v těchto nanočásticích byl řízen teplotou (asi 900 ° C) a obsahem močoviny.[7]

Vlastnosti a aplikace

Mechanické vlastnosti. Jednovrstvý nitrid boru má průměrný Youngův modul 0,865 TPa a lomovou pevnost 70,5 GPa. Na rozdíl od grafenu, jehož pevnost dramaticky klesá se zvýšenou tloušťkou, mají několikvrstvé plechy z nitridu boru podobnou pevnost jako jednovrstvý nitrid boru.[12]

Tepelná vodivost. Tepelná vodivost atomicky tenkého nitridu boru je jednou z nejvyšších mezi polovodiči a elektrickými izolátory; zvyšuje se se sníženou tloušťkou kvůli menší vazbě uvnitř vrstvy.

Tepelná stabilita. Stabilita grafenu na vzduchu ukazuje jasnou závislost na tloušťce: jednovrstvý grafen je reaktivní na kyslík při 250 ° C, silně dotovaný při 300 ° C a leptán při 450 ° C; Naproti tomu objemový grafit se neoxiduje až do 800 ° C.[13] Atomicky tenký nitrid boru má mnohem lepší odolnost proti oxidaci než grafen. Jednovrstvý nitrid boru není oxidován do 700 ° C a na vzduchu vydrží až 850 ° C; dvouvrstvé a třívrstvé nanosety nitridu boritého mají mírně vyšší počáteční teploty oxidace.[14] Vynikající tepelná stabilita, vysoká nepropustnost pro plyny a kapaliny a elektrická izolace vytvářejí atomově tenké potahové materiály s nitridem boru, které zabraňují povrchové oxidaci a korozi kovů[15][16] a další dvourozměrné (2D) materiály, jako je černý fosfor.[17]

Lepší adsorpce povrchu. Bylo zjištěno, že atomicky tenký nitrid boru má lepší schopnost povrchové adsorpce než hromadný hexagonální nitrid boru.[18] Podle teoretických a experimentálních studií dochází u atomově tenkého nitridu boru jako adsorbentu ke konformačním změnám při povrchové adsorpci molekul, což zvyšuje adsorpční energii a účinnost. Synergický účinek atomové tloušťky, vysoká flexibilita, silnější adsorpce povrchu, elektrická izolace, nepropustnost, vysoká tepelná a chemická stabilita BN nanosheet může zvýšit Ramanovu citlivost až o dva řády a mezitím dosáhnout dlouhodobé stability a mimořádná opakovaná použitelnost nedosažitelná jinými materiály.[19][20]

Dielektrické vlastnosti. Atomicky tenký hexagonální nitrid boru je vynikajícím dielektrickým substrátem pro grafen, sirník molybdeničitý (MoS2) a mnoho dalších 2D materiálových elektronických a fotonických zařízení. Jak ukazují studie elektrické silové mikroskopie (EFM), screening elektrického pole v atomově tenkém nitridu boru ukazuje slabou závislost na tloušťce, což je v souladu s plynulým rozpadem elektrického pole uvnitř několikavrstvého nitridu boru odhaleného prvními principy výpočty.[21]

Ramanovy charakteristiky. Ramanova spektroskopie byla užitečným nástrojem ke studiu různých 2D materiálů a Ramanův podpis vysoce kvalitního atomicky tenkého nitridu bóru poprvé popsali Gorbachev et al.[22] a Li a kol.[14] Dva hlášené Ramanovy výsledky nitridu jednovrstvého nitridu boritého se však navzájem neshodly. Cai a kol. prováděla systematické experimentální a teoretické studie vnitřního Ramanova spektra atomicky tenkého nitridu boru.[23] Odhalují, že při absenci interakce se substrátem má atomově tenký nitrid boru frekvenci G pásma podobnou frekvenci objemového hexagonálního nitridu boru, ale napětí vyvolané substrátem může způsobit Ramanovy posuny. Ramanovu intenzitu pásma G lze nicméně použít k odhadu tloušťky vrstvy a kvality vzorku.

BN nanosety jsou elektrické izolátory a mají široký pásový odstup ~ 5,9 eV, který lze změnit přítomností Vady Stone-Wales ve struktuře dopováním nebo funkcionalitou nebo změnou počtu vrstev.[4][6] Vzhledem k jejich hexagonální atomové struktuře, malému nesouladu mřížky s grafenem (~ 2%) a vysoké uniformitě se BN nanosheety používají jako substráty pro zařízení na bázi grafenu.[2][3] BN nanosety jsou také vynikající proton vodiče. Jejich vysoká rychlost přenosu protonů v kombinaci s vysokým elektrickým odporem může vést k aplikacím v palivové články a vodní elektrolýza.[24]

Reference

  1. ^ Aldalbahi, Ali; Zhou, Andrew Feng; Feng, Peter (2015). „Variace v krystalických strukturách a elektrických vlastnostech nanosheidů s jedním krystalickým nitridem boru“. Vědecké zprávy. 5: 16703. Bibcode:2015NatSR ... 516703A. doi:10.1038 / srep16703. PMC  4643278. PMID  26563901.
  2. ^ A b C d Park, Ji-Hoon; Park, Jin Cheol; Yun, Seok Joon; Kim, Hyun; Luong, Dinh Hoa; Kim, Soo Min; Choi, Soo Ho; Yang, Woochul; Kong, Jing; Kim, Ki Kang; Lee, Young Hee (2014). „Velkoplošný jednovrstvý šestihranný nitrid boru na fólii Pt“. ACS Nano. 8 (8): 8520–8. doi:10.1021 / nn503140y. PMID  25094030.
  3. ^ A b Wu, Q; Park, J. H .; Park, S; Jung, S.J .; Suh, H; Park, N; Wongwiriyapan, W; Lee, S; Lee, Y. H .; Song, Y. J. (2015). „Jediný krystalický film atomové monovrstvy hexagonálního nitridu bóru kontrolou nukleačních semen a domén“. Vědecké zprávy. 5: 16159. Bibcode:2015NatSR ... 516159W. doi:10.1038 / srep16159. PMC  4633619. PMID  26537788.
  4. ^ A b Li, Lu Hua; Chen, Ying (2016). "Atomically Thin Boron Nitride: Unique Properties and Applications". Pokročilé funkční materiály. 26 (16): 2594–2608. arXiv:1605.01136. doi:10.1002 / adfm.201504606.
  5. ^ A b C d E F G h i j k l m n Bhimanapati, G. R .; Glavin, N.R .; Robinson, J. A. (2016-01-01). Iacopi, Francesca; Boeckl, John J .; Jagadish, Chennupati (eds.). Polovodiče a polokovy. 2D materiály. 95. Elsevier. 101–147. doi:10.1016 / bs.semsem.2016.04.004. ISBN  978-0-12-804272-4. Citovat používá zastaralý parametr | editorlink1 = (Pomoc)
  6. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó Lin, Yi; Connell, John W. (2012). „Pokroky v 2D nanostrukturách nitridu boru: nanosety, nanoribony, nanoměsti a hybridy s grafenem“. Nanoměřítko. 4 (22): 6908–39. Bibcode:2012Nanos ... 4.6908L. doi:10.1039 / c2nr32201c. PMID  23023445.
  7. ^ A b C d E Wang, Zifeng; Tang, Zijie; Xue, Qi; Huang, Yan; Huang, Yang; Zhu, Minshen; Pei, Zengxia; Li, Hongfei; Jiang, Hongbo (2016). "Výroba nanosheidů nitridu boritého pomocí exfoliace". Chemický záznam. 16 (3): 1204–1215. doi:10.1002 / tcr.201500302. PMID  27062213.
  8. ^ Lei, Weiwei; Mochalin, Vadym N .; Liu, Dan; Qin, Si; Gogotsi, Yury; Chen, Ying (2015). „Koloidní roztoky nitridu boru, ultralehké aerogely a volně stojící membrány v jednom kroku exfoliace a funkcionalizace“. Příroda komunikace. 6: 8849. Bibcode:2015NatCo ... 6E8849L. doi:10.1038 / ncomms9849. PMC  4674780. PMID  26611437.
  9. ^ Li, Lu Hua; Chen, Ying; Behan, Gavin; Zhang, Hongzhou; Petravic, Mladen; Glushenkov, Alexey M. (2011). „Rozsáhlé mechanické loupání nanosheidů nitridu boritého pomocí nízkoenergetického kulového mletí“. Journal of Materials Chemistry. 21 (32): 11862. doi:10.1039 / c1jm11192b.
  10. ^ Li, Ling; Li, Lu Hua; Chen, Ying; Dai, Xiujuan J .; Lamb, Peter R .; Cheng, Bing-Ming; Lin, Meng-Yeh; Liu, Xiaowei (2013). „Vysoce kvalitní nanoribony nitridu boru: rozepínání během syntézy nanotrubiček“. Angewandte Chemie. 125 (15): 4306–4310. doi:10,1002 / ange.201209597.
  11. ^ A b Zhi, Chunyi; Bando, Yoshio; Tang, Čcheng-čchun; Kuwahara, Hiroaki; Golberg, Dimitri (2009). „Výroba ve velkém měřítku z nanosheidů nitridu boru a jejich využití v polymerních kompozitech se zlepšenými tepelnými a mechanickými vlastnostmi“. Pokročilé materiály. 21 (28): 2889–2893. doi:10.1002 / adma.200900323.
  12. ^ Falin, Aleksey; Cai, Qiran; Santos, Elton J.G .; Scullion, Declan; Qian, Dong; Zhang, Rui; Yang, Zhi; Huang, Shaoming; Watanabe, Kenji (2017). "Mechanické vlastnosti atomicky tenkého nitridu boru a role mezivrstvových interakcí". Příroda komunikace. 8: 15815. Bibcode:2017NatCo ... 815815F. doi:10.1038 / ncomms15815. PMC  5489686. PMID  28639613.
  13. ^ Liu, Li; Ryu, Sunmin; Tomasik, Michelle R .; Stolyarova, Elena; Jung, Naeyoung; Hybertsen, Mark S .; Steigerwald, Michael L .; Brus, Louis E .; Flynn, George W. (2008). „Oxidace grafenu: leptání závislé na tloušťce a silný chemický doping“. Nano dopisy. 8 (7): 1965–1970. arXiv:0807.0261. Bibcode:2008 NanoL ... 8.1965L. doi:10.1021 / nl0808684. PMID  18563942.
  14. ^ A b Li, Lu Hua; Cervenka, Jiri; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Chen, Ying (2014). „Silná oxidační odolnost atomově tenkých nanosheidů nitridů boru“. ACS Nano. 8 (2): 1457–1462. arXiv:1403.1002. doi:10.1021 / nn500059s. PMID  24400990.
  15. ^ Li, Lu Hua; Xing, Tan; Chen, Ying; Jones, Rob (2014). „Nanosheets: Boron Nitride Nanosheets for Metal Protection (Adv. Mater. Interfaces 8/2014)“. Pokročilá materiálová rozhraní. 1 (8): n / a. doi:10.1002 / obdiv.201470047.
  16. ^ Liu, Zheng; Gong, Yongji; Zhou, Wu; Ma, Lulu; Yu, Jingjiang; Idrobo, Juan Carlos; Jung, Jeil; MacDonald, Allan H .; Vajtai, Robert (2013). „Ultratenké povlaky hexagonálního nitridu boru odolné vůči vysoké teplotě. Příroda komunikace. 4 (1): 2541. Bibcode:2013NatCo ... 4E2541L. doi:10.1038 / ncomms3541. PMID  24092019.
  17. ^ Chen, Xiaolong; Wu, Yingying; Wu, Zefei; Han, Yu; Xu, Shuigang; Wang, Lin; Ye, Weiguang; Han, Tianyi; On, Yuheng (2015). „Vysoce kvalitní sendvičová heterostruktura černého fosforu a její kvantové oscilace“. Příroda komunikace. 6 (1): 7315. arXiv:1412.1357. Bibcode:2015NatCo ... 6E7315C. doi:10.1038 / ncomms8315. PMC  4557360. PMID  26099721.
  18. ^ Cai, Qiran; Du, Aijun; Gao, Guoping; Mateti, Srikanth; Cowie, Bruce C. C .; Qian, Dong; Zhang, Shuang; Lu, Yuerui; Fu, Lan (2016). „Konformační změna vyvolaná molekulami v nanosheetech nitridů boru s vylepšenou povrchovou adsorpcí“. Pokročilé funkční materiály. 26 (45): 8202–8210. arXiv:1612.02883. doi:10.1002 / adfm.201603160.
  19. ^ Cai, Qiran; Mateti, Srikanth; Yang, Wenrong; Jones, Rob; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Huang, Shaoming; Chen, Ying; Li, Lu Hua (2016). „Vnitřní zadní obálka: Nanosety nitridu bóru zlepšují citlivost a opětovnou použitelnost povrchově vylepšené Ramanovy spektroskopie (Angew. Chem. Int. Vyd. 29/2016)“. Angewandte Chemie International Edition. 55 (29): 8457. doi:10,1002 / anie.201604295.
  20. ^ Cai, Qiran; Mateti, Srikanth; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Huang, Shaoming; Chen, Ying; Li, Lu Hua (2016). „Nanočástice zlata zahalené nanočásticemi nitridu boru pro povrchově vylepšený Ramanův rozptyl“. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (24): 15630–15636. arXiv:1606.07183. doi:10.1021 / acsami.6b04320. PMID  27254250.
  21. ^ Li, Lu Hua; Santos, Elton J. G .; Xing, Tan; Cappelluti, Emmanuele; Roldán, Rafael; Chen, Ying; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi (2015). "Dielektrický screening v atomově tenkých nanosetách z nitridu boru". Nano dopisy. 15 (1): 218–223. arXiv:1503.00380. Bibcode:2015NanoL..15..218L. doi:10.1021 / nl503411a. PMID  25457561.
  22. ^ Gorbačov, Roman V .; Riaz, Ibtsam; Nair, Rahul R .; Jalil, Rashid; Britnell, Liam; Belle, Branson D .; Hill, Ernie W .; Novoselov, Kostya S .; Watanabe, Kenji (2011). „Lov na jednovrstvý nitrid boritý: optické a Ramanovy podpisy“. Malý. 7 (4): 465–468. arXiv:1008.2868. doi:10,1002 / ml. 201001628. PMID  21360804.
  23. ^ Cai, Qiran; Scullion, Declan; Falin, Aleksey; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Chen, Ying; Santos, Elton J. G .; Li, Lu Hua (2017). „Ramanova signatura a fononová disperze atomicky tenkého nitridu boru“. Nanoměřítko. 9 (9): 3059–3067. arXiv:2008.01656. doi:10.1039 / c6nr09312d. PMID  28191567.
  24. ^ Hu, S .; et al. (2014). „Protonový transport skrz krystaly tlusté jedním atomem“. Příroda. 516 (7530): 227–230. arXiv:1410.8724. Bibcode:2014 Natur.516..227H. doi:10.1038 / příroda14015. PMID  25470058.