聊一聊氮化硼纳米薄膜材料

发布时间:2019-01-10      点击:

氮化硼(BN)纳米薄膜材料与碳纳米材料的结构相似,六方氮化硼作为类石墨烯结构的二维层状材料,已成为当前的研究热点。氮化硼纳米薄膜具有具有良好的耐高温、抗氧化性能及良好的中子辐射屏蔽性能。除此之外,氮化硼还具有压电性、高导热、超疏水、超高层间粘滞摩擦力、催化及生物相容性等优异的性能。因此,氮化硼纳米薄膜材料在耐高温、高强度功能复合材料和生物医学等领域具有广阔应用前景。

一、氮化硼概述

1、氮化硼晶型结构

氮化硼结构存在各种晶型。其中SP2杂化的六方氮化硼是一种白色具有润滑性质的多晶型材料,类似石墨的层状结构。这种层状结构也可以斜方六面体的形式进行堆垛。其他常见的结构SP3杂化的立方氮化硼,其结构类似金刚石,且是迄今已知第二硬的材料。氮化硼纳米材料还有一种罕见的类似于六方碳的SP3杂化纤锌矿结构。

1  氮化硼纳米材料晶型结构 

2、低维氮化硼纳米结构

低维氮化硼纳米结构呈多样性,主要有纳米薄膜、纳米管、纳米颗粒、纳米带、纳米纤维、纳米线等。其中,以具有二维结构的氮化硼纳米薄膜和纳米管最引人关注。

2  氮化硼纳米薄膜(单层,左图)与纳米管结构(右图)示意图

氮化硼纳米薄膜和纳米管具有出众的光学性能,适于制作深紫外发射器和各种光电纳米器件。除此之外,氮化硼纳米薄膜还具有压电性、高导热、超疏水、超高层间粘滞摩擦力、催化及生物相容性等优异的性能。因此,氮化硼纳米薄膜在耐高温、高强度功能复合材料和生物医学等领域有巨大的应用潜力。

二、氮化硼纳米薄膜材料制备

氮化硼纳米薄膜材料制备方法与合成石墨烯相似,主要有机械剥离法、化学剥离、化学气相沉积、高能电子辐照等。

1、机械剥离法

机械剥离法制备氮化硼纳米薄膜材料,首先是采用湿法球磨从氮化硼粉体上制备氮化硼纳米薄片,将氮化硼薄膜剥离的作用力为剪切力。该法加入了苯甲酸苄酯作为球磨助剂,以减小球磨时对氮化硼薄膜的碰撞和破坏。

 

3  机械剥离法制备氮化硼纳米薄膜材料示意图 

2、化学剥离法

化学剥离法是利用化学溶液法从单晶氮化硼制备了单个和数个原子层氮化硼纳米薄片。将单晶氮化硼放入5ml的m-苯乙烯、2,5-苯乙烯共聚物的1,2-二氯乙烷溶液(1.2mg/10ml)中超声分散1h后,氮化硼晶体剥离成片状氮化硼。

化学剥离法中需要加入强极性溶剂,例如N,N-二甲基甲酰胺(DMF),极性的DMF分子和氮化硼表面有强烈的相互作用,有助于获得氮化硼纳米薄片。 通过化学剥离法,可以获得毫克级别的纯氮化硼纳米薄片,且厚度均在2-10nm之间。

3、化学气相沉积法

化学气相沉积法制备氮化硼纳米薄膜主要分为外延生长和非外延生长。

1)外延生长

外延生长制备氮化硼纳米薄膜是采用二元系统先驱体(BF3-NH3BCl3-NH3B2H6 -NH3),或者采用单一先驱体进行热解,例如环硼氮烷(BN3H6)、三氯环硼氮烷(B3N3H3 Cl3)或者六氯环硼氮烷(B3N3H3 Cl6)。其中,由环硼氮烷的热解可以沉积出化学计量比为1:1的氮化硼薄膜。

瑞士苏黎世大学的研究人员以铑为基体,在其上构造出蜂巢状的氮化硼(又称“白色石墨烯”)纳米网构成,单层纳米网厚度0.1纳米,网间距3.2纳米。通过改变单层碳化硼的原子角度,能够在加电/不加电的情况下,实现从亲水到疏水的转变。具体而言,该材料可通过改变纳米结构,改变原子表面的静态阻力(一种状态是高粘滞的亲水态、另一种状态则是低粘滞的疏水态),进而改变其亲/疏水状态。

4  蜂巢状氮化硼纳米网结构图

(绿色球为氮原子、橙色球为硼原子,灰色球为铑原子。纳米网层间距3.2纳米) 

上海微系统所研究人员采用化学气相沉积(CVD)方法在铜镍合金基体上成功制备出单原子层高质量石墨烯/六方氮化硼平面异质纳米薄膜材料,并将其成功应用于WSe2/MoS2二维光电探测器件。该方法利用铜镍合金优异的催化能力,在提高氮化硼单晶结晶质量的同时消除了石墨烯的随机成核,使得石墨烯晶畴只在三角状h-BN单晶畴的顶角处形核并沿着h-BN边取向生长。

5  单原子层高质量石墨烯/六方氮化硼平面异质纳米薄膜材料制备示意图 

目前,在金属镍表面上沉积单原子层六方氮化硼纳米薄膜的研究较为热门。研究表明,镍的d轨道与六方氮化硼的π轨道存在很大程度的杂化,这说明在六方氮化硼和金属基底之间有很强的结合。

2)非外延生长

非外延生长以氧化硼(B2O3)和三聚氰胺粉体作为先驱体,通过控制不同的生长温度(1100-1300℃),可将氮化硼薄膜的厚度控制在25-50nm之间。氮化硼纳米薄膜材料的层数由反应物的浓度决定。

4、高能电子辐照法

高能电子辐照法制备氮化硼纳米薄膜是以机械剥离法制备BN纳米薄片或纳米粉体为原料,采用用密集的电子束辐照对获得的薄片和粉体进行减薄。通过电子束的手动扫描,BN纳米薄片被逐层减薄,直至获得单原子层的BN纳米薄膜材料。

5、离子束溅射沉积法

离子束溅射沉积法制备氮化硼纳米薄膜是以纯度为99.5%的Ni箔为基底进行六方氮化硼薄膜的沉积。首先将Ni箔由辅助离子源进行原位预刻蚀,然后在1000℃下退火10min。然后在主离子源发出的氩离子束从六方氮化硼靶材上溅射出B原子和N原子,在预处理后的Ni箔上进行沉积,制备氮化硼纳米薄膜材料。

 

6  离子束溅射沉积法示意图 

三、氮化硼纳米薄膜材料应用

1、催化材料

氮化硼纳米薄膜是银纳米粒子良好的负载体,可催化促进硝基酚还原成氨基酚。碘化银/氮化硼纳米复合材料表现出良好的光催化活性,在废水处理、污染物治理等方面具有良好的应用前景。 

2、生物材料

氮化硼纳米薄膜材料具有更好的生物相容性,有望用于生物组织工程和医疗领域。瑞士苏黎世大学在铑基体上构造出蜂巢状的氮化硼(又称“白色石墨烯”)纳米网,当对材料施加电压时,氮化硼纳米网就会平整地铺展开。该电控行为已经在生物学上得到应用,可用于细胞微观层面的控制和处理,在创造新型复杂的人造多细胞排列等相关科学研究方面有较大的推动作用。此外,该研究也为构造微毛细血管泵提供了技术基础,可通过电信号对纳米级管道中的压力和流量进行控制。

3、新型耐高温复合材料

氮化硼纳米薄膜材料具有化学和热学稳定性,且没有悬挂键和表面电荷带。美国宾夕法尼亚州立大学研究人员制备了六方氮化硼/聚醚酰亚胺纳米薄膜材料,其性能明显优于相关的竞争材料,其可使用的温度正是电动汽车和航天动力应用的需要。

 

4、锂电池材料

氮化硼纳米薄膜材料具有高的机械强度、热导率、电化学稳定性、电绝缘性,并且由于硼原子存在空的pz轨道,将其做为多功能添加剂加入到凝胶聚合物电解质中,可固定电解质中的阴离子而抑制极化,进而可以有效抑制锂枝晶的形成及生长,延长锂金属电池使用寿命。

5、光电/微电子材料

氮化硼纳米薄膜材料是宽能带隙半导体(5.0~6.0eV)、良好的高温化学稳定性以及原子级平整的表面,使其在光电/微电子具有广阔的应用前景。几个原子层厚的多层氮化硼纳米薄膜/石墨烯异质结具有高的电荷迁移率,达到12500000px2.VS-1。立方氮化硼异质结结构则用于制备场效应隧穿晶体管器件。

参考文献:

1、徐久皎,氮化硼复合材料的制备及性能研究,山东大学学报。

2、杨雅萍,李 斌,张长瑞等,类石墨烯结构二维氮化硼材料:结构特性、合成方法、性能及应用,材料导报。

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