Автор AZoNano Ян 27 2021

Атомно тонкий двумерный гексагональный нитрид бора (h-BN) является многообещающим материалом, чья способность претерпевать фазовые превращения в прочные, сверхлегкие, химически стабильные, устойчивые к окислению пленки делает их идеальными для защитных покрытий, нанотехнологий. тепловые приложения, излучатели глубокого УФ-света и многое другое.

Возможности, воплощенные в различных политипах h-BN, включают сверхтвердую алмазную фазу, кубическую структуру (c-BN), прочность и твердость которой уступают только настоящим углеродным алмазам. Ключом к изготовлению таких материалов является способность индуцировать и контролировать превращение между их различными кристаллическими фазами таким образом, который является эффективным и достаточно экономичным, чтобы обеспечить экономию на масштабе.

В то время как синтез таких материалов в их «объемных» или трехмерных конфигурациях требует огромного давления и тепла, исследователи из инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета обнаружили, что h-BN в слоистых 2D-листах толщиной с молекулы может фазовый переход в c-BN. при комнатной температуре.

В новом исследовании группа под руководством Элизы Риедо, профессора химической и биомолекулярной инженерии в Нью-Йоркском университете Тандон, и в сотрудничестве с Реми Дингревилль из Центра нанотехнологий в Национальных лабораториях Сандиа, провела эксперименты и моделирование с использованием наноскопического сжатия наконечника. атомарно тонкие, 2D слои h-BN, чтобы показать, как происходят эти фазовые переходы при комнатной температуре и как их оптимизировать, частично путем изменения количества слоев в тонкой пленке h-BN.

Исследование «Формирование под давлением и механические свойства двумерного нитрида бора алмаза» авторами которого являются Анджело Бонджорно, профессор химии Городского университета Нью-Йорка; Филиппо Челлини, бывший научный сотрудник лаборатории PicoForce Lab Риедо в Нью-Йоркском университете Тандон; Элтон Чен из Sandia National Labs; Райан Л. Хартман, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Нью-Йоркском университете Тандон; и Франческо Лавини и Филип Попович, доктор философии. студентов в лаборатории Риедо, появляется на обложке в томе 8, выпуске 2 журнала Advanced Science .

«Когда BN находится в алмазной фазе, твердость и жесткость резко возрастают, и фактически он почти такой же твердый, как традиционный углеродный алмаз с улучшенной термической и химической стабильностью, », – сказал Риедо, «Но обычно его нельзя найти в природе. Формирование кубического нитрида бора должно производиться в лаборатории. Поэтому мы решили изучить физику и понимание фазового перехода от гексагонального нитрида бора к кубическому в особом случае пленок. атомарно тонкие ".

Лавини объяснил, что работа заключалась в приложении давления к атомарно тонким пленкам h-BN с числом атомных слоев от одного до десяти с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ). Чтобы проверить степень фазового перехода от гексагональной к кубической кристаллической структуре, зонд с наноскопическим наконечником AFM одновременно прикладывает давление и измеряет эластичность материала.

«Высокая степень жесткости демонстрирует фазовый переход в кристаллическую структуру алмаза. Это очень важно, потому что до этого не было ясно, что фазовый переход может происходить даже при комнатной температуре», – пояснил он . " Поскольку вся физика фазовых переходов в двумерной« вселенной »отличается, мы открываем и переопределяем некоторые фундаментальные правила материалов. В этом состоянии, например, энергетический барьер для перехода из гексагональной в кубическую фазу намного меньше. "

Эксперименты и моделирование также выявили оптимальную толщину для достижения перехода к c-BN: исследователи не наблюдали никакого фазового превращения в однослойных пленках h-BN, в то время как двухслойные и трехслойные пленки показали увеличение на 50%. в жесткости при приложении давления со стороны наноскопического наконечника, прокси для фазового перехода h-BN-в-c-BN. Выше трех слоев исследователи наблюдали уменьшение степени фазового перехода алмаза.

Посредством моделирования, описанного в исследовании, сотрудники также обнаружили неоднородность фазового перехода: вместо спонтанного перехода на c-BN, происходящего равномерно под давлением, они обнаружили, что алмазы образуются в кластеры и расширяются. Они также заметили, что чем больше количество слоев h-BN, тем меньше количество кластеров алмаза.

Риедо объяснил, что преимущества 2D-алмазов BN по сравнению с 2D-углеродными алмазами (также известными как диамены) заключаются в адаптируемости и потенциальной экономии на производстве. «Недавно мы обнаружили, что можно вызвать образование диамена из графена, однако требуются определенные типы подложек или химикатов, в то время как h-BN может образовывать алмазы на любой подложке в окружающей атмосфере. В целом, открытие исключительные новые свойства индуцированных давлением алмазных фаз в 2D-материалах »– сказала она.

Риедо сказал, что следующий этап перейдет к прикладным исследованиям с более крупномасштабными экспериментами по механическому сопротивлению для конкретных приложений.

Работа финансируется Министерством энергетики США и Управлением армейских исследований.

Документ доступен по адресу https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002541

Источник: https://engineering.nyu.edu/