聊一聊氮化硼納米薄膜材料

發布時間:2019-01-10      點擊:

氮化硼(BN)納米薄膜材料與碳納米材料的結構相似,六方氮化硼作為類石墨烯結構的二維層狀材料,已成為當前的研究熱點。氮化硼納米薄膜具有具有良好的耐高溫、抗氧化性能及良好的中子輻射屏蔽性能。除此之外,氮化硼還具有壓電性、高導熱、超疏水、超高層間粘滯摩擦力、催化及生物相容性等優異的性能。因此,氮化硼納米薄膜材料在耐高溫、高強度功能復合材料和生物醫學等領域具有廣闊應用前景。

一、氮化硼概述

1、氮化硼晶型結構

氮化硼結構存在各種晶型。其中SP2雜化的六方氮化硼是一種白色具有潤滑性質的多晶型材料,類似石墨的層狀結構。這種層狀結構也可以斜方六面體的形式進行堆垛。其他常見的結構SP3雜化的立方氮化硼,其結構類似金剛石,且是迄今已知第二硬的材料。氮化硼納米材料還有一種罕見的類似于六方碳的SP3雜化纖鋅礦結構。

1  氮化硼納米材料晶型結構 

2、低維氮化硼納米結構

低維氮化硼納米結構呈多樣性,主要有納米薄膜、納米管、納米顆粒、納米帶、納米纖維、納米線等。其中,以具有二維結構的氮化硼納米薄膜和納米管最引人關注。

2  氮化硼納米薄膜(單層,左圖)與納米管結構(右圖)示意圖

氮化硼納米薄膜和納米管具有出眾的光學性能,適于制作深紫外發射器和各種光電納米器件。除此之外,氮化硼納米薄膜還具有壓電性、高導熱、超疏水、超高層間粘滯摩擦力、催化及生物相容性等優異的性能。因此,氮化硼納米薄膜在耐高溫、高強度功能復合材料和生物醫學等領域有巨大的應用潛力。

二、氮化硼納米薄膜材料制備

氮化硼納米薄膜材料制備方法與合成石墨烯相似,主要有機械剝離法、化學剝離、化學氣相沉積、高能電子輻照等。

1、機械剝離法

機械剝離法制備氮化硼納米薄膜材料,首先是采用濕法球磨從氮化硼粉體上制備氮化硼納米薄片,將氮化硼薄膜剝離的作用力為剪切力。該法加入了苯甲酸芐酯作為球磨助劑,以減小球磨時對氮化硼薄膜的碰撞和破壞。

 

3  機械剝離法制備氮化硼納米薄膜材料示意圖 

2、化學剝離法

化學剝離法是利用化學溶液法從單晶氮化硼制備了單個和數個原子層氮化硼納米薄片。將單晶氮化硼放入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)中超聲分散1h后,氮化硼晶體剝離成片狀氮化硼。

化學剝離法中需要加入強極性溶劑,例如N,N-二甲基甲酰胺(DMF),極性的DMF分子和氮化硼表面有強烈的相互作用,有助于獲得氮化硼納米薄片。 通過化學剝離法,可以獲得毫克級別的純氮化硼納米薄片,且厚度均在2-10nm之間。

3、化學氣相沉積法

化學氣相沉積法制備氮化硼納米薄膜主要分為外延生長和非外延生長。

1)外延生長

外延生長制備氮化硼納米薄膜是采用二元系統先驅體(BF3-NH3BCl3-NH3B2H6 -NH3),或者采用單一先驅體進行熱解,例如環硼氮烷(BN3H6)、三氯環硼氮烷(B3N3H3 Cl3)或者六氯環硼氮烷(B3N3H3 Cl6)。其中,由環硼氮烷的熱解可以沉積出化學計量比為1:1的氮化硼薄膜。

瑞士蘇黎世大學的研究人員以銠為基體,在其上構造出蜂巢狀的氮化硼(又稱“白色石墨烯”)納米網構成,單層納米網厚度0.1納米,網間距3.2納米。通過改變單層碳化硼的原子角度,能夠在加電/不加電的情況下,實現從親水到疏水的轉變。具體而言,該材料可通過改變納米結構,改變原子表面的靜態阻力(一種狀態是高粘滯的親水態、另一種狀態則是低粘滯的疏水態),進而改變其親/疏水狀態。

4  蜂巢狀氮化硼納米網結構圖

(綠色球為氮原子、橙色球為硼原子,灰色球為銠原子。納米網層間距3.2納米) 

上海微系統所研究人員采用化學氣相沉積(CVD)方法在銅鎳合金基體上成功制備出單原子層高質量石墨烯/六方氮化硼平面異質納米薄膜材料,并將其成功應用于WSe2/MoS2二維光電探測器件。該方法利用銅鎳合金優異的催化能力,在提高氮化硼單晶結晶質量的同時消除了石墨烯的隨機成核,使得石墨烯晶疇只在三角狀h-BN單晶疇的頂角處形核并沿著h-BN邊取向生長。

5  單原子層高質量石墨烯/六方氮化硼平面異質納米薄膜材料制備示意圖 

目前,在金屬鎳表面上沉積單原子層六方氮化硼納米薄膜的研究較為熱門。研究表明,鎳的d軌道與六方氮化硼的π軌道存在很大程度的雜化,這說明在六方氮化硼和金屬基底之間有很強的結合。

2)非外延生長

非外延生長以氧化硼(B2O3)和三聚氰胺粉體作為先驅體,通過控制不同的生長溫度(1100-1300℃),可將氮化硼薄膜的厚度控制在25-50nm之間。氮化硼納米薄膜材料的層數由反應物的濃度決定。

4、高能電子輻照法

高能電子輻照法制備氮化硼納米薄膜是以機械剝離法制備BN納米薄片或納米粉體為原料,采用用密集的電子束輻照對獲得的薄片和粉體進行減薄。通過電子束的手動掃描,BN納米薄片被逐層減薄,直至獲得單原子層的BN納米薄膜材料。

5、離子束濺射沉積法

離子束濺射沉積法制備氮化硼納米薄膜是以純度為99.5%的Ni箔為基底進行六方氮化硼薄膜的沉積。首先將Ni箔由輔助離子源進行原位預刻蝕,然后在1000℃下退火10min。然后在主離子源發出的氬離子束從六方氮化硼靶材上濺射出B原子和N原子,在預處理后的Ni箔上進行沉積,制備氮化硼納米薄膜材料。

 

6  離子束濺射沉積法示意圖 

三、氮化硼納米薄膜材料應用

1、催化材料

氮化硼納米薄膜是銀納米粒子良好的負載體,可催化促進硝基酚還原成氨基酚。碘化銀/氮化硼納米復合材料表現出良好的光催化活性,在廢水處理、污染物治理等方面具有良好的應用前景。 

2、生物材料

氮化硼納米薄膜材料具有更好的生物相容性,有望用于生物組織工程和醫療領域。瑞士蘇黎世大學在銠基體上構造出蜂巢狀的氮化硼(又稱“白色石墨烯”)納米網,當對材料施加電壓時,氮化硼納米網就會平整地鋪展開。該電控行為已經在生物學上得到應用,可用于細胞微觀層面的控制和處理,在創造新型復雜的人造多細胞排列等相關科學研究方面有較大的推動作用。此外,該研究也為構造微毛細血管泵提供了技術基礎,可通過電信號對納米級管道中的壓力和流量進行控制。

3、新型耐高溫復合材料

氮化硼納米薄膜材料具有化學和熱學穩定性,且沒有懸掛鍵和表面電荷帶。美國賓夕法尼亞州立大學研究人員制備了六方氮化硼/聚醚酰亞胺納米薄膜材料,其性能明顯優于相關的競爭材料,其可使用的溫度正是電動汽車和航天動力應用的需要。

 

4、鋰電池材料

氮化硼納米薄膜材料具有高的機械強度、熱導率、電化學穩定性、電絕緣性,并且由于硼原子存在空的pz軌道,將其做為多功能添加劑加入到凝膠聚合物電解質中,可固定電解質中的陰離子而抑制極化,進而可以有效抑制鋰枝晶的形成及生長,延長鋰金屬電池使用壽命。

5、光電/微電子材料

氮化硼納米薄膜材料是寬能帶隙半導體(5.0~6.0eV)、良好的高溫化學穩定性以及原子級平整的表面,使其在光電/微電子具有廣闊的應用前景。幾個原子層厚的多層氮化硼納米薄膜/石墨烯異質結具有高的電荷遷移率,達到12500000px2.VS-1。立方氮化硼異質結結構則用于制備場效應隧穿晶體管器件。

參考文獻:

1、徐久皎,氮化硼復合材料的制備及性能研究,山東大學學報。

2、楊雅萍,李 斌,張長瑞等,類石墨烯結構二維氮化硼材料:結構特性、合成方法、性能及應用,材料導報。

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