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May 16, 2023

グラフェンを超えて: 2 つの卓越した力

Con l’avanzare della tecnologia, gli scienziati sono alla ricerca di nuovi materiali per soddisfare le richieste.

技術が進歩するにつれて、科学者は絶えず変化する世界の需要を満たす新しい材料を探しています。 最も有望なカテゴリの 1 つは、原子数個の厚さしかない二次元 (2D) 材料です。 中でも窒化ホウ素（BN）はホウ素原子と窒素原子が同数結合した無機化合物であり、現在多くの研究開発が行われています。 BN は、B 原子と N 原子の配置によって特性が変化するユニークな材料です。

さまざまな形態の BN は炭素材料と同構造です。 BN の立方体 (c-BN) はダイヤモンドの結晶配列に似た結晶配置を持ちますが、最も安定な結晶形である BN の六方晶構造 (h-BN) はグラファイトに似ています。 この等構造の特徴により、h-BN は「白色グラファイト」とも呼ばれます。 これは層状の材料であり、各層で窒素原子とホウ素原子がハニカム格子内の共有結合によって強く結合されています。 これらの層は、弱い相互作用であるファンデルワールス力によって保持されています。 ただし、これらのシートの層間配置は、原子が互い違いに配置されているため、グラファイトで観察されたモデルとは異なり、これによりいくつかのポリタイプが生じます。h-BN に次いで最も有名なのは菱面体晶 (r-BN) です。 h-BN では、B 原子が N 原子の上にあります。 この構造は、約 6 eV の超広いバンドギャップを備え、優れた電気絶縁体でもある高い熱伝導率を備えた非常に安定したセラミック材料に伝導します。 近年、グラフェン1の台頭とその後の単層および多層グラファイトナノシートの研究の進展により、2D h-BNへの関心が高まっています。

同じハニカム構造とグラファイトの格子パラメータに著しく近い格子パラメータ 2 を備えているため、h-BN はグラフェンの理想的な絶縁基板として、また vdW ヘテロ構造における最良のバリア材料として考えられています 3。これらすべての特性により、h-BN は用途に最適です。エレクトロニクス、フォトニクス、オプトエレクトロニクスの分野で、トランジスタ、光検出器、センサーなどのさまざまなデバイスの作成に使用できます。 その結果、h-BN は 2D 材料研究の重要な材料となり、将来の技術革新の有望な候補となりました。4

これらすべての理由から、h-BN シートを合成するための効率的で費用対効果の高い方法を開発することがますます重要になっています。 H-BN は自然界には存在しません。その合成は、その成分の反応性が高いため、極端な温度と圧力で特定の比率で組み合わせる必要があり、達成するのが困難なため、困難なプロセスであるためです。 したがって、BN は主に純粋なホウ素、ホウ酸 (H3BO3)5 または三酸化ホウ素 (B2O3) から合成的にのみ製造されます。

近年、2D h-BN ナノ構造を合成するための他のさまざまな方法が開発されています。 ボトムアップ アプローチとトップダウン アプローチという 2 つの主なアプローチを区別できます。 ボトムアップアプローチには、小さな構成要素から BN ナノ構造を成長または組み立てることが含まれます。 これらの構成要素は、無機分子または有機分子のいずれかです。 たとえば、h-BN ナノシートは、気相を使用して材料の薄膜を基板上に堆積する化学プロセスである化学気相成長 (CVD) を使用して、ボラジン (B3N3H6) 分子から合成できます。 ボラジンは通常、高温反応器に供給され、そこで分解されて基板上に h-BN 層が形成されます。 CVD 堆積された h-BN 膜は主に多結晶であり、その粒径は一般に数十マイクロメートルで、三角形の形状をしています。 ウェーハスケールの堆積物を得ることができますが、多くの場合、工業プロセスの統合のためにそれらをターゲット基板に転写する必要があります。 一方、トップダウン法では、既存のバルク h-BN 材料から開始し、その後、目的の厚さが得られるまでそのサイズを徐々に小さくします。 このアプローチは通常、化学的または機械的剥離を使用して h-BN ナノシートを製造し、六角形の層間のファンデルワールス力を破壊し、得られた h-BN の 2D シートをバルク材料から物理的に分離するために使用されます。 通常、剥離された構造のサイズが小さくなり、その収量が少なくなる場合でも、出発バルク材料の元の品質は剥離後も保持されます。 したがって、商用デバイスにさらに統合できる 2D h-BN シートの剥離に利用できる出発材料として、大きな (数ミリメートル程度の) 単結晶 h-BN ソースを用意することが重要です。 しかし、ミリメートルスケールまでの結晶を実現することは依然として課題です。

フランス、リヨン大学の多物質界面研究所 (LMI) では、長年にわたり、さまざまな形態 (繊維、薄膜、ナノチューブ、メソまたは微多孔質膜) での h-BN の合成を開発してきました。摩擦学、熱構造、またはエネルギーの応用。 これらの特定の形状へのアクセスは、分子前駆体を合成し、それをセラミック化前に成形できる無機プレセラミックポリマーに重合させることからなるプレセラミックポリマー (PDC) の熱分解という合成経路によって可能になります。

h-BN の開発では、ターゲット h-BN とすでに六方晶構造を共有しているボラジンを分子前駆体として使用します。 液体ボラジンは室温で揮発性が高いため、結晶成長にはそのポリマー形態であるポリボラジレンが好ましく、重合プロセス後に白色粉末として得られます。 ポリマー前駆体による h-BN の形成は、Li3N などのアルカリベースの溶媒を使用することで大幅に促進され、一度溶融した種の移動性が促進されます 6,7。したがって、PDC のルートにより、目的に合わせた h-BN の合成が可能になります。質感と構造の特性。

過去 10 年間、グラフェン ベースの材料の可能性を探求する EU の資金提供によるプロジェクトであるグラフェン フラッグシップの枠組みに LMI を統合することで、当社の研究努力は、グラフェン ベースの材料の製造のための PDC 経路の改善に焦点を当ててきました。 h-BN ナノ材料。 特に、同じプレセラミックポリマーから開始するスパークプラズマ焼結 (SPS)、圧力制御炉 (PCF)、またはガス圧力焼結 (GPS) などの異なる焼結プロセスと PDC を組み合わせることで、結晶サイズを大きくすることができます。さらに、PDC と原子層堆積 (ALD) を組み合わせることで、機能性 BN ナノ / ヘテロ構造が高度に構造化された高感度テンプレートから合成されることに成功し、この ALD プロセスが有望な代替手段となっています。機能性 BN ナノ構造の作製 12-15 堆積された BN 材料の結晶化度レベルは基板の結晶化度レベルに強く依存することが示されています。

最後に、PDC の化学プロセスによって生成されるこれらの h-BN 材料は、電子用途と光学用途の両方での関心が実証されています。 実際、概念実証として、LMI で実現された h-BN シートにカプセル化された MoSe2 および WSe2 単層で作られたファンデルワールスヘテロ構造の応用に初めて成功したことを実現することができました。16 非常に有望な結果が金属でも得られています。 - hBN - LMI.17 の h-BN を使用した金属コンデンサ デバイス

これは、PDC のルートと成形技術の組み合わせが、選択した合成条件や目的の用途に応じて、最終的な h-BN 材料の構造、結晶化度、形態を調整するための理想的なプラットフォームを提供することを示しています。

なお、この記事は季刊誌第13号にも掲載される予定です。

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