Más allá del grafeno: el poder excepcional de dos

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 sólo unos pocos átomos de espesor. Entre ellos, el nitruro de boro (BN), un compuesto inorgánico formado por un número igual 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 de los materiales de carbono. La forma cúbica del BN (c-BN) tiene una disposición cristalina similar a la del diamante, mientras que la estructura hexagonal del BN (h-BN), que es la forma cristalina más estable, se asemeja 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 mediante 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 aproximadamente 6 eV. En los últimos años, con el auge del grafeno1 y el posterior progreso de la investigación sobre nanohojas de grafito monocapa y multicapa, se ha desarrollado un interés creciente en 2D h-BN.

Con la misma estructura de panal y parámetros de red notablemente cercanos a los del grafito,2 a menudo se lo considera un sustrato aislante ideal para el grafeno y el mejor material de barrera en 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 láminas 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 un desafío de lograr. Por tanto, el BN sólo se produce 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 ascendente y el enfoque descendente. El enfoque ascendente implica desarrollar o ensamblar nanoestructuras de BN a partir de pequeños bloques de construcción. Estos componentes básicos pueden ser moléculas orgánicas o inorgánicas. Por ejemplo, las nanohojas de h-BN se pueden sintetizar a partir de moléculas de boracina (B3N3H6) mediante deposición química de vapor (CVD), un proceso químico en el que se utiliza una fase de vapor para depositar una fina película de material sobre un sustrato. La boracina normalmente se introduce en un reactor de alta temperatura donde se descompone para formar capas de h-BN sobre 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 nanohojas de h-BN mediante exfoliación química o mecánica para romper las fuerzas de Van der Waals entre las capas hexagonales y separar físicamente las hojas 2D resultantes de h-BN del material a granel. Aunque el tamaño de las estructuras exfoliadas suele ser reducido 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 de h-BN monocristalinas grandes (del orden de unos pocos milímetros) como materiales de partida disponibles para la exfoliación de láminas de h-BN 2D que puedan 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, desarrollamos desde hace muchos años 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 ruta de síntesis utilizada, la pirólisis de polímeros precerámicos (PDC), que consiste en sintetizar un precursor molecular y polimerizarlo en un polímero precerámico inorgánico al que se le puede dar forma antes de la ceramización.

Para el desarrollo de h-BN, el precursor molecular que utilizamos es la boracina porque ya comparte su estructura hexagonal con el h-BN objetivo. Dado que la borazina líquida es muy volátil a temperatura ambiente, para el crecimiento de cristales se prefiere su forma polimérica, poliborazileno, que se obtiene como un polvo blanco después de un proceso de polimerización. La formación de h-BN por precursores poliméricos se mejora enormemente mediante el uso de un disolvente de base alcalina como Li3N, promoviendo la movilidad de las especies una vez fundidas.6,7 Así, la ruta de las PDC permite la elaboración de h-BN con métodos personalizados. 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 los PDC con diferentes procesos de sinterización, como la sinterización por plasma por chispa (SPS), el horno de presión controlada (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, al combinar PDC con deposición de capas atómicas (ALD), se han sintetizado con éxito nanoestructuras/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 funcionales de BN.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 mediante 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 el LMI.16 También se han obtenido resultados muy alentadores en metales -dispositivos condensadores metálicos hBN que utilizan h-BN de LMI.17

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

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