Fogli di nitruro di boro 2D puri e cristallizzati sintetizzati tramite un nuovo processo che unisce metodi PDC e SPS

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20388 (2016) Citare questo articolo

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Nel contesto delle ricerche emergenti legate al grafene, è noto che i nanosheet di h-BN (BNNS), detti anche 2D BN, sono considerati il ​​miglior candidato per sostituire SiO2 come supporto dielettrico o strati di copertura per il grafene. Di conseguenza, lo sviluppo di una nuova fonte alternativa per cristalli di h-BN altamente cristallizzati, adatti per un'ulteriore esfoliazione, è una questione scientifica di primaria importanza. Questo articolo propone un approccio promettente per sintetizzare scaglie di h-BN pure e ben cristallizzate, che possono essere facilmente esfoliate in BNNS. Questo nuovo processo di produzione accessibile rappresenta un’importante fonte di approvvigionamento alternativa in risposta alla crescente necessità di BNNS di alta qualità. La strategia di sintesi per preparare h-BN puro si basa su una combinazione unica del percorso della ceramica derivata dai polimeri (PDC) con il processo di sinterizzazione al plasma Spark (SPS). Attraverso un'indagine chimica e strutturale multiscala, è chiaramente dimostrato che le scaglie ottenute sono grandi (fino a 30 μm), prive di difetti e ben cristallizzate, caratteristiche chiave per una successiva esfoliazione in BNNS rilevanti.

Grazie al loro notevole potenziale per le applicazioni elettroniche, le ricerche legate ai nanomateriali 2D sono attualmente in forte espansione. In particolare, il nitruro di boro esagonale (h-BN) è un materiale chiave soprattutto nel contesto delle ricerche emergenti legate al grafene. Infatti, è noto che i BNNS sono stati considerati uno dei migliori candidati per sostituire SiO2 come supporto dielettrico o strati di copertura per il grafene1. Il motivo più importante è legato alle imperfezioni superficiali di SiO2 (rugosità, trappole cariche…), che possono limitare significativamente la mobilità dei portatori all'interno dei fogli atomici di grafene, influenzandone quindi le proprietà di trasporto elettronico. Poiché i parametri reticolari dei BNNS corrispondono perfettamente a quelli del grafene, questo inconveniente dovrebbe essere superato2. Lavori recenti3,4 presentano anche la possibilità di costruire eterostrutture multistrato in cui h-BN e scaglie di grafene esfoliato sono alternativamente impilati per formare transistor a base di grafene orientati verticalmente5,6.

Per avere successo in questi campi di applicazione, lo sviluppo di una risorsa accessibile di cristalli h-BN puri e altamente cristallizzati rimane una sfida. Oggi, solo due fonti principali di cristalli di nitruro di boro esagonale (h-BN) sono comunemente disponibili per la produzione di BNNS dopo una scissione meccanica o chimica. In primo luogo, le fonti commerciali7,8, generalmente ottenute da un composto di boro contenente ossigeno che reagisce con una fonte contenente azoto, che sono molto spesso caratterizzate da un elevato livello di difetti con aree cristalline relativamente piccole (da meno di 2 μm fino a 10 μm ). In secondo luogo, i cristalli h-BN possono essere trovati anche utilizzando il metodo HPHT (High Pressure High Temperature) adottato presso l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS Giappone)9,10. Questo processo consente la scissione di campioni BN relativamente grandi (~ 100 μm) e sottili (diversi nm) con una superficie atomicamente piatta e una bassa densità di difetti. Tuttavia, la diffusione di quest'ultima risorsa è ostacolata dalle severe condizioni di produzione, ad esempio alta temperatura (fino a 2100 °C), alta pressione (5,5 GPa) e tempo di trattamento (80 ore). Tali specificità non consentono, ad oggi (a nostra conoscenza), la riproducibilità di quel percorso da parte di altri gruppi.

Per ottenere fogli di h-BN grandi e altamente cristallizzati, si possono considerare due strategie. Il primo consiste nella deposizione diretta dei BNNS richiesti su un substrato, mentre il secondo si basa sulla generazione di BNNS mediante esfoliazione di grandi cristalli singoli di h-BN.

Considerando il primo approccio, la letteratura riporta sintesi CVD e derivati ​​CVD11,12,13,14,15 di nanostrati di BN depositati su diversi substrati utilizzando precursori a base di boro e azoto16,17,18,19. Tuttavia, adottando tali metodi a base gassosa, è difficile controllare la formazione dei difetti e regolare il numero di strati. Il secondo approccio sfrutta la debole forza interplanare h-BN per ottenere, mediante esfoliazione, una struttura bidimensionale simile al grafene a pochi strati (spesso denominata nanosheets BN). L'esfoliazione è ben documentata in letteratura e può essere eseguita con metodi meccanici16,20,21,22,23,24 o chimici25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35. Di conseguenza, questo modo indiretto per generare BNNS mediante esfoliazione da cristalli di h-BN di alta qualità sembra più rilevante, ma in realtà soffre di una mancanza di fonti di approvvigionamento di h-BN pure, come discusso sopra.