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La nanohoja de nitruro de boro es una forma cristalina del nitruro de boro hexagonal (h-BN), que tiene un espesor de un átomo. Similar en geometría, así como en propiedades físicas y térmicas a su análogo de carbono , el grafeno , pero tiene propiedades químicas y electrónicas muy diferentes: a diferencia del grafeno negro y altamente conductor, las nanohojas de BN son aislantes eléctricos con una brecha de banda de ~5,9 eV y, por lo tanto, parecen de color blanco. [2]
Las nanohojas de BN monoatómicas uniformes se pueden depositar mediante descomposición catalítica de borazina a una temperatura de ~1100 °C en una configuración de deposición química de vapor , sobre áreas de sustrato de hasta aproximadamente 10 cm 2 . Debido a su estructura atómica hexagonal, pequeño desajuste reticular con el grafeno (~2%) y alta uniformidad, se utilizan como sustratos para dispositivos basados en grafeno. [2] [3]
Las nanohojas de BN están formadas por átomos de boro y nitrógeno conjugados sp2 que forman una estructura de panal. [4] [5] Contienen dos bordes diferentes: sillón y zigzag. El borde sillón está formado por átomos de boro o nitrógeno, mientras que el borde en zigzag está formado por átomos de boro y nitrógeno alternados. Estas estructuras 2D pueden apilarse unas sobre otras y se mantienen mediante fuerzas de Van der Waals para formar nanohojas de nitruro de boro de pocas capas. En estas estructuras, los átomos de boro de una hoja se colocan encima o debajo de los átomos de nitrógeno debido a la naturaleza deficiente en electrones del boro y la naturaleza rica en electrones del nitrógeno. [5] [6]
La deposición química de vapor es el método más común para producir nanohojas de BN porque es un proceso bien establecido y altamente controlable que produce material de alta calidad en áreas que superan los 10 cm 2 . [2] [6] Existe una amplia gama de precursores de boro y nitruro para la síntesis de CVD, como la borazina , y su selección depende de la toxicidad, [6] la estabilidad, [5] [6] la reactividad, [6] y la naturaleza del método de CVD. [5] [6] [7]
Los métodos de corte mecánico de nitruro de boro utilizan fuerzas de corte para romper las interacciones débiles de van der Waals entre las capas de BN. [5] Las nanohojas cortadas tienen densidades de defectos bajas y conservan el tamaño lateral del sustrato original. [5] [6] Inspirado por su uso en el aislamiento de grafeno, el corte micromecánico, también conocido como el método de cinta adhesiva, se ha utilizado para aislar de manera consistente nanohojas de nitruro de boro de pocas capas y monocapa mediante la exfoliación posterior del material de partida con cinta adhesiva. [5] [6] La desventaja de esta técnica es que no es escalable para la producción a gran escala. [5] [6] [7]
Las láminas de nitruro de boro también se pueden exfoliar mediante molienda de bolas , donde se aplican fuerzas de corte sobre la cara del nitruro de boro a granel mediante bolas rodantes. [9] Esta técnica produce grandes cantidades de material de baja calidad con un control deficiente sobre sus propiedades. [5] [6]
Las nanoláminas de BN se pueden sintetizar mediante la descompresión de nanotubos de nitruro de boro mediante intercalación de potasio o grabado con plasma o un gas inerte. En este caso, el método de intercalación tiene un rendimiento relativamente bajo, ya que el nitruro de boro es resistente a los efectos de los intercalantes. [5] [6] Li et al. lograron la descompresión in situ de nanotubos de nitruro de boro en nanocintas. [10]
La exfoliación con disolventes se utiliza a menudo en combinación con la sonicación para aislar grandes cantidades de nanoláminas de nitruro de boro. Los disolventes polares, como el alcohol isopropílico [6] y el DMF [11], son más eficaces para exfoliar las capas de nitruro de boro que los disolventes no polares, ya que estos disolventes poseen una energía superficial similar a la de las nanoláminas de nitruro de boro. Las combinaciones de diferentes disolventes también exfolian el nitruro de boro mejor que los disolventes individuales. [5] Muchos disolventes adecuados para la exfoliación con BN son bastante tóxicos y caros, pero se pueden sustituir por agua y alcohol isopropílico sin sacrificar significativamente el rendimiento. [5] [6] [11]
La funcionalización química del nitruro de boro implica unir moléculas a las capas externas e internas del nitruro de boro a granel. [6] Hay tres tipos de funcionalización de BN: covalente, iónica y no covalente. [5] Las capas se exfolian colocando el BN funcionalizado en un solvente y permitiendo que la fuerza de solvatación entre los grupos unidos y el solvente rompa las fuerzas de van der Waal entre las capas de BN. [7] Este método es ligeramente diferente de la exfoliación con solvente, que se basa en las similitudes entre las energías superficiales del solvente y las capas de nitruro de boro.
Calentar una mezcla de precursores de boro y nitrógeno, como el ácido bórico y la urea , puede producir nanohojas de nitruro de boro. [5] [7] La cantidad de capas en estas nanohojas se controló mediante la temperatura (aproximadamente 900 ˚C) y el contenido de urea. [7]
Propiedades mecánicas. El nitruro de boro monocapa tiene un módulo de Young promedio de 0,865 TPa y una resistencia a la fractura de 70,5 GPa. A diferencia del grafeno, cuya resistencia disminuye drásticamente con el aumento del espesor, las láminas de nitruro de boro de pocas capas tienen una resistencia similar a la del nitruro de boro monocapa. [12]
Conductividad térmica. La conductividad térmica del nitruro de boro, de espesor atómico fino, es una de las más altas entre los semiconductores y aislantes eléctricos; aumenta con la reducción del espesor debido al menor acoplamiento entre capas.
Estabilidad térmica. La estabilidad del grafeno en el aire muestra una clara dependencia del espesor: el grafeno monocapa es reactivo al oxígeno a 250 °C, fuertemente dopado a 300 °C y grabado a 450 °C; en contraste, el grafito en masa no se oxida hasta los 800 °C. [13] El nitruro de boro atómicamente delgado tiene una resistencia a la oxidación mucho mejor que el grafeno. El nitruro de boro monocapa no se oxida hasta los 700 °C y puede soportar hasta 850 °C en el aire; las nanohojas de nitruro de boro bicapa y tricapa tienen temperaturas de inicio de oxidación ligeramente más altas. [14] La excelente estabilidad térmica, la alta impermeabilidad al gas y al líquido y el aislamiento eléctrico hacen que el nitruro de boro atómicamente delgado sea un material de recubrimiento potencial para prevenir la oxidación de la superficie y la corrosión de metales [15] [16] y otros materiales bidimensionales (2D), como el fósforo negro. [17]
Mejor adsorción superficial. Se ha descubierto que el nitruro de boro atómicamente fino tiene mejores capacidades de adsorción superficial que el nitruro de boro hexagonal a granel. [18] Según estudios teóricos y experimentales, el nitruro de boro atómicamente fino como adsorbente experimenta cambios conformacionales tras la adsorción superficial de moléculas, lo que aumenta la energía y la eficiencia de adsorción. El efecto sinérgico del espesor atómico, la alta flexibilidad, la mayor capacidad de adsorción superficial, el aislamiento eléctrico, la impermeabilidad y la alta estabilidad térmica y química de las nanohojas de BN pueden aumentar la sensibilidad Raman hasta en dos órdenes y, al mismo tiempo, lograr una estabilidad a largo plazo y una reutilización extraordinaria que no se pueden lograr con otros materiales. [19] [20]
Propiedades dieléctricas. El nitruro de boro hexagonal atómicamente delgado es un excelente sustrato dieléctrico para el grafeno, el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) y muchos otros dispositivos electrónicos y fotónicos basados en materiales 2D. Como lo muestran los estudios de microscopía de fuerza eléctrica (EFM), el apantallamiento del campo eléctrico en el nitruro de boro atómicamente delgado muestra una dependencia débil del espesor, lo que está en línea con la desintegración suave del campo eléctrico dentro del nitruro de boro de pocas capas revelada por los cálculos de primeros principios. [21]
Características Raman. La espectroscopia Raman ha sido una herramienta útil para estudiar una variedad de materiales 2D, y la firma Raman del nitruro de boro atómicamente delgado de alta calidad fue reportada por primera vez por Gorbachev et al. [22] y Li et al. [14] Sin embargo, los dos resultados Raman reportados del nitruro de boro monocapa no concordaron entre sí. Cai et al. realizaron estudios teóricos y experimentales sistemáticos del espectro Raman intrínseco del nitruro de boro atómicamente delgado. [23] Revelan que, en ausencia de interacción con un sustrato, el nitruro de boro atómicamente delgado tiene una frecuencia de banda G similar a la del nitruro de boro hexagonal a granel, pero la tensión inducida por el sustrato puede causar cambios Raman. No obstante, la intensidad Raman de la banda G se puede utilizar para estimar el espesor de la capa y la calidad de la muestra.
Las nanohojas de BN son aislantes eléctricos y tienen una amplia brecha de banda de ~5,9 eV, que puede modificarse por la presencia de defectos de Stone-Wales dentro de la estructura, por dopaje o funcionalización, o por cambiar el número de capas. [4] [6] Debido a su estructura atómica hexagonal, pequeño desajuste reticular con el grafeno (~2%) y alta uniformidad, las nanohojas de BN se utilizan como sustratos para dispositivos basados en grafeno. [2] [3] Las nanohojas de BN también son excelentes conductores de protones . Su alta tasa de transporte de protones, combinada con la alta resistencia eléctrica, puede dar lugar a aplicaciones en pilas de combustible y electrólisis del agua . [24]