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【专业讲堂】“白色石墨烯”:详解其特性、合成、应用及全球主要制造商

 碳纤复材 2022-08-31 发布于浙江


2D六方氮化硼(hexagonal boron nitride,简写为hBN),也被称为“白色石墨烯”,作为一种新兴的2D材料,要比其他2D材料具有更优异的性能。本文将简要介绍这种神奇材料的典型特性、制备和应用。

什么是白色石墨烯?

六方氮化硼(hBN)是一种结构类似于石墨烯的层状材料。在每一层中,它由交替的硼原子和氮原子组成,这些原子排列在sp²键合网络中。硼和氮之间的键长为1.44A°,而石墨烯中碳原子之间的键长度为1.42A°。

在每一层中,硼原子和氮原子通过强共价键连接在一起,而层本身通过相对较弱的范德华力连接在一起。

石墨烯是具有零带隙的半导体,而hBN是具有5.97 eV的大带隙的绝缘体,这也表明其具有作为高质量介电材料的潜力。hBN和石墨烯晶格失配仅为1.7%。有趣的是,当hBN用作衬底时,它可以打开石墨烯中的带隙。

hBN的特性和优势

2D hBN在可见光谱中几乎没有光吸收,因此具有高透明度,但在紫外区域具有吸收光谱。hBN在室温下的热导率可以达到751W/mK,使其成为热管理材料和电子器件散热的理想填料。

hBN粉末

2D hBN的弹性模量约为0.8TPa,强度约为100GPa,与石墨烯实验值相当。由于其特殊的机械特性,2D hBN已被用于增强聚合物薄膜。2D hBN在高达1000°C的空气中稳定,不会与大多数化学品发生反应,使其成为有史以来最薄的涂层之一,能够耐受恶劣环境。

除了其抗氧化性,单层hBN还可以用作理想的涂层,以增加基材的电阻和摩擦。2D hBN由于其高化学稳定性、热稳定性和优异的涂层特性而成为一种潜在的涂层材料。

二维hBN的异质结构

2D hBN最吸引人的应用是范德华异质结构的构建。最近在将2D hBN与其他2D材料(如2D TMDC和石墨烯)集成以创建混合2D材料方面取得了进展。例如,石墨烯/hBN异质结构能够制造高性能石墨烯基电子器件,并且很可能用于制造原子级的超薄集成电路。

2D hBN材料总是带负电荷,可以用作异质结中的载流子受体,以改善光催化中载流子的分离。此外,hBN层也是范德华2D材料中异质双层的优良栅极电介质和密封剂。

hBN合成技术的最新进展

自上向下和自下而上的合成策略是最常见的2D hBN合成策略类型。“自下而上”过程与采用化学气相沉积(CVD)而使B₃N₃H₆在过渡金属上的分解进行的hBN自组装相关。例如,蔚山国家科学技术研究所的研究人员最近报道了在Ni(111)上合成大面积2cm×5cm单晶单层hBN。

“自上向下”过程通常通过外力破坏相邻hBN层之间的层间相互作用,导致hBN剥落。在该工艺中传统上使用了微机械剥落、液相剥落、化学剥落、球磨和其他方法。

“自上向下”方法是大规模制备hBNNS的一种有效且简单的方法。例如,在最近的一项研究中,中国科学院的研究人员提出了一种可扩展且可控的方法,用于从hBN薄片中剥离高质量hBNN,剥离率超过58%,hBN薄片厚度小于10 nm。

hBN的商业应用

用于聚合物热导率优化的陶瓷填料是hBN最常见的应用之一。此外,hBN在化妆品行业的需求也很大,它也被几乎所有主要化妆品制造商使用,包括化妆品配件和其他护肤产品。

用于化妆品的hBN

为了改善散热,hBN广泛用于消费电子产品(如电池和其他高性能部件)的电气绝缘。

作为一种防腐涂层,hBN通过防止枪管生锈,减少了定期上油和其他处理的需要。hBN传感器由于其高灵敏度和暴露于甲烷时的高电阻变化而被用作甲烷(CH₄)检测器。

hBN全球制造商

Grolltex是高质量六方氮化硼片的领先生产商,在铜上生产尺寸达150 mm×150 mm的单层hBN膜。此外,它们在直径为100、150和200 mm的Si/SiO₂晶片上提供单层hBN薄膜。Grolltexs还在尺寸达200 mm的晶片上生产定制尺寸的hBN膜。

hBN粉末的其他主要制造商包括Saint-Gobain S.A.(法国)、3M(美国)、Denka Company ltd.(日本)、Showa Denko K.K.(日本)、Momentive Performance Materials Inc.(美国)、HC Starck GmbH(德国)和Henze Boron Nitride Products AG(德国)。

参考文献:

1、An, L., et al. (2022). Water-icing-triggered scalable and controllable exfoliation of hexagonal boron nitride nanosheets. Cell Reports Physical Science, p. 100941.
2、Ma, K. Y., et al. (2022). Epitaxial single-crystal hexagonal boron nitride multilayers on Ni (111). Nature, 606(7912), pp. 88-93. 
3、Wang, H., et al. (2017). Recent progress in synthesis of two-dimensional hexagonal boron nitride. Journal of Semiconductors, 38(3), p. 031003.
4、Ren, J., et al. (2021). 2D Boron nitride heterostructures: Recent advances and future challenges. Small Structures, 2(11), p. 2100068.
5、Roy, S., et al. (2021). Structure, Properties and Applications of Two‐Dimensional Hexagonal Boron Nitride. Advanced Materials, 33(44), p. 2101589.

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