Nitreto de Boro Hexagonal (h-BN): Estrutura, propriedades e aplicações

Introdução

O nitreto de b oro (BN) existe em várias formas cristalinas, incluindo as fases cúbica (c-BN), hexagonal (h-BN) e amorfa. Entre elas, o nitreto de boro hexagonal tem atraído a maior parte da atenção devido à sua semelhança estrutural com o grafite e sua combinação de estabilidade térmica, isolamento elétrico e inércia química. Muitas vezes chamado de "grafite branco", o h-BN agora é amplamente usado em microeletrônica, engenharia de alta temperatura e compostos avançados.

Estrutura e propriedades intrínsecas

O nitreto de boro hexagonal adota uma estrutura hexagonal em camadas com uma configuração de empilhamento ABAB. Cada camada é composta de átomos alternados de boro e nitrogênio unidos por fortes ligações covalentes no plano. A interação entre as camadas, regida pelas forças de van der Waals, torna o material mecanicamente anisotrópico - rígido no plano e facilmente clivável fora do plano.

Embora o h-BN e o grafite compartilhem uma geometria de rede semelhante, suas estruturas eletrônicas diferem fundamentalmente. O grafite é condutor devido aos elétrons π deslocalizados, enquanto o h-BN, com ligações B-N iônicas, é um isolante de banda larga (~5,9 eV).

Principais propriedades:

• Estrutura cristalina: Hexagonal

• Parâmetros de rede: a ≈ 2,50 Å, c ≈ 6,66 Å

• Espaçamento entre camadas: ~3.33 Å

• Bandgap: ~5,9 eV (indireto)

• Densidade: ~2,1 g/cm^3

Artigo relacionado: Quais são as características do nitreto de boro hexagonal?

Propriedades termofísicas e químicas

O h-BN apresenta uma combinação exclusiva de condutividade térmica, estabilidade térmica e resistência química:

• Condutividade térmica: Até 200-400 W/m-K no plano; significativamente menor fora do plano.

• Expansão térmica: Anisotrópica; ~2 × 10^-6 K^-1 no plano, maior fora do plano.

• Estabilidade química: Inerte à maioria dos ácidos e bases e estável no ar até ~1000 °C.

• Lubricidade: Baixo coeficiente de atrito, estável no vácuo e em ambientes oxidantes.

Essas propriedades tornam o h-BN adequado para ambientes exigentes que combinam calor, oxidação e desgaste.

Técnicas de síntese

A rota de síntese do nitreto de boro hexagonal (h-BN) determina diretamente a qualidade estrutural, o tamanho lateral, o controle de espessura e a densidade de defeitos - tudo isso influencia sua adequação a aplicações eletrônicas, térmicas e mecânicas. Em termos gerais, os métodos de síntese podem ser classificados em estratégias de esfoliação de cima para baixo e técnicas de crescimento químico de baixo para cima.

Métodos top-down

Essas abordagens partem do h-BN em massa e o reduzem a flocos mais finos ou folhas de poucas camadas.

Esfoliação mecânica
Esse método, geralmente chamado de técnica da "fita adesiva", envolve a remoção física de camadas de um cristal de h-BN em massa usando materiais adesivos. A vantagem está na alta cristalinidade e na baixa densidade de defeitos dos flocos resultantes, que são ideais para estudos fundamentais ou dispositivos 2D de alto desempenho. No entanto, o processo é manual, demorado e inerentemente de baixo rendimento, o que o torna inadequado para produção comercial ou em larga escala.

Esfoliação em fase líquida (LPE)
A LPE usa ultrassom ou mistura de alto cisalhamento em solventes adequados (por exemplo, N-metil-2-pirrolidona, isopropanol ou soluções aquosas de surfactantes) para delaminar o h-BN em massa em nanofolhas de poucas camadas. Esse processo oferece maior rendimento do que a esfoliação mecânica e pode ser dimensionado em nível de gramas ou mais. No entanto, o processo geralmente introduz defeitos estruturais, oxidação de bordas ou fragmentação de folhas, o que pode degradar as propriedades elétricas e mecânicas. Normalmente, a centrifugação é usada após a esfoliação para selecionar flocos com a espessura e a distribuição de tamanho desejadas.

Desafios dos métodos top-down:

• O controle sobre as dimensões laterais e a espessura permanece limitado.

• É difícil remover completamente os surfactantes ou solventes.

• As altas densidades de defeitos no LPE podem limitar o desempenho térmico e eletrônico.

Métodos de baixo para cima

As técnicas bottom-up permitem o controle em nível atômico do crescimento do filme e são preferidas quando a uniformidade, a precisão da espessura e a integração são essenciais.

Deposição de vapor químico (CVD)
O CVD é o método mais promissor para a síntese em escala de wafer de h-BN de poucas camadas ou monocamadas. Os precursores comuns incluem:

• Borano de amônia (NH3-BH3): Gera BN por meio de decomposição térmica.

• Borazina (B3N3H6): Um composto cíclico com ligações B-N já estabelecidas, produzindo maior cristalinidade.

• B-tricloroborazina (B3N3Cl3) e misturas de diborano + amônia também foram exploradas.

Normalmente, o crescimento ocorre em substratos de metais de transição, como cobre, níquel ou folhas de ferro, em temperaturas que variam de 900 °C a 1100 °C. O tipo de substrato afeta a densidade de nucleação, o tamanho do grão e o alinhamento. Os processos de transferência são necessários se o h-BN tiver de ser integrado a superfícies isolantes ou semicondutoras.

Principais parâmetros que influenciam a qualidade do CVD:

• Taxa de fluxo e pureza do precursor

• Pressão da câmara (CVD de baixa pressão produz domínios maiores)

• Cristalinidade e orientação do substrato

• Taxa de resfriamento após o crescimento (afeta a formação de limites de grãos)

Cerâmicas derivadas de polímeros (PDCs)
A síntese de PDC envolve a pirólise de precursores de polímeros contendo boro e nitrogênio, como poliborazileno ou poli[B-tricloroborazina]. Sob uma atmosfera controlada (geralmente amônia ou nitrogênio), esses precursores se decompõem em cerâmicas de nitreto de boro. Esse método é adequado para a fabricação de componentes de h-BN em massa ou moldados, como cadinhos, isoladores ou revestimentos. O processo permite a integração com reforços de fibra ou scaffolds porosos, o que o torna ideal para compostos estruturais.

Vantagens do PDC:

• Controle estequiométrico preciso

• Modelagem personalizada antes da pirólise

• Capacidade de produzir cerâmicas densas e não porosas para uso mecânico e térmico

Resumo e vantagens e desvantagens

Áreas de aplicação

Sistemas eletrônicos e de isolamento
Como um isolante atomicamente plano com alta rigidez dielétrica, o h-BN é amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos 2D como dielétrico de porta, substrato ou camada de encapsulamento, especialmente para heteroestruturas de grafeno e TMD.

Componentes de alta temperatura
Devido à sua resistência a choques térmicos e inércia, o h-BN é usado em componentes de fornos, cadinhos e aplicações aeroespaciais, como sistemas de proteção térmica.

Lubrificantes e revestimentos sólidos
O h-BN mantém a lubricidade em altas temperaturas e no ar, oferecendo vantagens em relação ao grafite em ambientes oxidantes, como na formação de metais e em montagens aeroespaciais.

Compostos de polímeros e cerâmicas
A incorporação de h-BN em polímeros ou cerâmicas aumenta a condutividade térmica e a estabilidade dimensional, preservando o isolamento elétrico. As aplicações típicas incluem materiais de interface térmica (TIMs) e isoladores estruturais.

Fotônica e óptica UV
A alta transparência óptica do h-BN no UV e seu comportamento de fônon-polariton são promissores para aplicações de fotônica de UV profundo e óptica não linear.

6. Conclusão

O nitreto de boro hexagonal oferece uma rara combinação de uma ampla faixa, alta condutividade térmica e excelente resistência química. Sua estrutura anisotrópica e a compatibilidade com outros materiais 2D fazem dele um componente essencial para sistemas eletrônicos, ópticos e térmicos de última geração. Pesquisas em andamento estão expandindo sua integração em:

• Plataformas de materiais 2D escalonáveis baseadas em CVD

• Compostos de alto desempenho com interfaces projetadas

• Dispositivos ópticos que exploram sua dispersão hiperbólica de fônons

Na Stanford Advanced Materials (SAM), fornecemos pós de h-BN de alta pureza, revestimentos e formas sinterizadas sob medida para aplicações industriais e de pesquisa. Entre em contato com nossa equipe técnica para saber como nossos materiais de nitreto de boro podem se encaixar no seu próximo projeto.