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May 16, 2023

Más allá del grafeno: el poder excepcional de dos

A medida que avanza la tecnología, los científicos buscan nuevos materiales para satisfacer las

A medida que avanza la tecnología, los científicos buscan nuevos materiales para satisfacer las demandas de nuestro mundo en constante cambio. Una de las categorías más prometedoras son los materiales bidimensionales (2D), que tienen solo unos pocos átomos de espesor. Entre estos, el nitruro de boro (BN), un compuesto inorgánico hecho de igual número de átomos de boro y nitrógeno, es actualmente objeto de mucha investigación y desarrollo. El BN es un material único cuyas propiedades pueden variar según la disposición de los átomos de B y N.

Las diversas formas de BN son isoestructurales para los materiales de carbono. La forma cúbica de BN (c-BN) tiene una disposición cristalina similar a la del diamante, mientras que la estructura hexagonal de BN (h-BN), que es la forma cristalina más estable, se parece al grafito. Debido a esta característica isoestructural, el h-BN también se denomina 'grafito blanco'. Es un material en capas donde, en cada capa, los átomos de nitrógeno y boro están fuertemente unidos por enlaces covalentes en una red de panal. Las capas se mantienen unidas por interacciones débiles, las fuerzas de van der Waals. La disposición entre capas de estas láminas, sin embargo, difiere del modelo observado para el grafito, ya que los átomos están escalonados, lo que da lugar a varios politipos, siendo el más famoso, después del h-BN, el romboédrico (r-BN). En h-BN, los átomos de B están encima de los átomos de N. Esta estructura conduce a un material cerámico extremadamente estable con alta conductividad térmica que también es un excelente aislante eléctrico, con una banda prohibida ultra ancha de alrededor de 6 eV. En los últimos años, con el auge del grafeno1 y el posterior progreso de la investigación sobre nanoláminas de grafito de una y varias capas, se ha desarrollado un interés creciente en 2D h-BN.

Con la misma estructura de panal de abeja y parámetros de red notablemente similares a los del grafito,2 a menudo se considera como un sustrato aislante ideal para el grafeno y como el mejor material de barrera en las heteroestructuras vdW.3 Todas estas propiedades hacen que el h-BN sea ideal para su uso en electrónica, fotónica y optoelectrónica, donde se puede utilizar para crear una variedad de dispositivos, incluidos transistores, fotodetectores y sensores. Como resultado, h-BN se ha convertido en un material clave en la investigación de materiales 2D y en un candidato prometedor para futuras innovaciones tecnológicas.4

Por todas estas razones, se ha vuelto cada vez más importante desarrollar métodos eficientes y rentables para la síntesis de hojas de h-BN. El H-BN no se encuentra en la naturaleza porque su síntesis es un proceso difícil debido a la alta reactividad de sus componentes que deben combinarse en proporciones específicas a temperaturas y presiones extremas, lo que puede ser difícil de lograr. Por tanto, el BN se produce únicamente de forma sintética, principalmente a partir de boro puro, ácido bórico (H3BO3)5 o trióxido de boro (B2O3).

En los últimos años, se han desarrollado otros métodos para sintetizar nanoestructuras 2D h-BN. Se pueden distinguir dos enfoques principales, el enfoque de abajo hacia arriba y el enfoque de arriba hacia abajo. El enfoque de abajo hacia arriba consiste en hacer crecer o ensamblar nanoestructuras de BN a partir de pequeños bloques de construcción. Estos bloques de construcción pueden ser moléculas inorgánicas u orgánicas. Por ejemplo, las nanohojas de h-BN se pueden sintetizar a partir de moléculas de borazina (B3N3H6) mediante deposición química de vapor (CVD), un proceso químico en el que se utiliza una fase de vapor para depositar una película delgada de material sobre un sustrato. La borazina normalmente se alimenta a un reactor de alta temperatura donde se descompone para formar capas de h-BN en el sustrato. Las películas de h-BN depositadas por CVD son principalmente policristalinas con un tamaño de grano generalmente de varias decenas de micrómetros con forma triangular. Se pueden obtener depósitos a escala de oblea, pero a menudo es necesario transferirlos al sustrato objetivo para la integración del proceso industrial. El método de arriba hacia abajo, por otro lado, implica comenzar a partir de un material h-BN a granel preexistente y luego reducir gradualmente su tamaño hasta obtener el espesor deseado. Este enfoque se utiliza normalmente para producir nanoláminas de h-BN mediante exfoliación química o mecánica para romper las fuerzas de Van der Waals entre las capas hexagonales y separar físicamente las láminas 2D resultantes de h-BN del material a granel. Incluso si el tamaño de las estructuras exfoliadas suele reducirse y su rendimiento puede ser pequeño, la calidad original del material a granel de partida se conserva después de la exfoliación. Por lo tanto, es importante tener fuentes grandes (del orden de unos pocos milímetros) de h-BN de un solo cristal como materiales de partida disponibles para la exfoliación de láminas de h-BN 2D que pueden integrarse aún más en dispositivos comerciales. Sin embargo, lograr cristales hasta la escala milimétrica sigue siendo un desafío.

En el Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (LMI) de la Universidad de Lyon, Francia, llevamos muchos años desarrollando la síntesis de h-BN en diferentes formas (fibras, películas delgadas, nanotubos, membranas meso o microporosas) para aplicaciones tribológicas, termoestructurales o energéticas. El acceso a estas formas específicas es posible gracias a la vía de síntesis utilizada, la pirólisis de polímeros precerámicos (PDC), que consiste en sintetizar un precursor molecular y polimerizarlo en un polímero inorgánico precerámico que puede moldearse antes de la ceramización.

Para el desarrollo de h-BN, el precursor molecular que usamos es borazina porque ya comparte su estructura hexagonal con el objetivo h-BN. Dado que la borazina líquida es altamente volátil a temperatura ambiente, para el crecimiento de cristales, se prefiere su forma polimérica, poliborazileno, y se obtiene como un polvo blanco después de un proceso de polimerización. La formación de h-BN por parte de los precursores poliméricos se ve favorecida en gran medida por el uso de un disolvente de base alcalina como el Li3N, lo que promueve la movilidad de las especies una vez fundidas.6,7 Por lo tanto, la ruta de los PDC permite la elaboración de h-BN con Propiedades texturales y estructurales.

Durante la última década, con la integración de LMI en el marco de Graphene Flagship, un proyecto financiado por la UE que busca explorar el potencial de los materiales basados ​​en grafeno, nuestros esfuerzos de investigación se han centrado en mejorar la ruta de los PDC para la fabricación de nanomateriales h-BN. En particular, al acoplar PDC con diferentes procesos de sinterización, como la sinterización por chispa de plasma (SPS), el horno controlado por presión (PCF) o la sinterización por presión de gas (GPS) a partir del mismo polímero precerámico, el tamaño del cristal se puede aumentar de desde unas pocas micras hasta unos pocos milímetros.8–11 Además, mediante la combinación de PDC con deposición de capas atómicas (ALD), se han sintetizado con éxito nano/heteroestructuras funcionales de BN a partir de plantillas sensibles altamente estructuradas, lo que convierte a este proceso de ALD en una alternativa prometedora para la fabricación de nanoestructuras de BN funcionales.12–15 Se ha demostrado que el nivel de cristalinidad del material de BN depositado depende en gran medida del nivel de cristalinidad del sustrato.

Finalmente, estos materiales h-BN, producidos por el proceso químico de los PDC, han demostrado su interés en aplicaciones tanto electrónicas como ópticas. De hecho, ha sido posible realizar, como prueba de concepto, la primera aplicación exitosa de heteroestructuras de van der Waals hechas de monocapas de MoSe2 y WSe2 encapsuladas en láminas de h-BN realizadas en LMI.16 También se han obtenido resultados muy alentadores en metal. -dispositivos de condensadores metálicos hBN que utilizan h-BN de LMI.17

Esto demuestra que la combinación de la ruta de los PDC con técnicas de modelado proporciona una plataforma ideal para ajustar la estructura, la cristalinidad y la morfología de los materiales finales de h-BN según las condiciones de síntesis elegidas y las aplicaciones previstas.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimotercera edición de nuestra publicación trimestral.

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