Folhas de nitreto de boro 2D puras e cristalizadas sintetizadas por meio de um novo processo que acopla métodos PDCs e SPS

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 20388 (2016) Citar este artigo

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No contexto de pesquisas emergentes ligadas ao grafeno, é sabido que as nanofolhas de h-BN (BNNSs), também conhecidas como BN 2D, são consideradas as melhores candidatas para substituir o SiO2 como suporte dielétrico ou camadas de cobertura para o grafeno. Como consequência, o desenvolvimento de uma nova fonte alternativa para cristais de h-BN altamente cristalizados, adequados para uma esfoliação adicional, é uma questão científica primordial. Este artigo propõe uma abordagem promissora para sintetizar flocos de h-BN puros e bem cristalizados, que podem ser facilmente esfoliados em BNNSs. Este novo processo de produção acessível representa uma fonte alternativa relevante de abastecimento em resposta à crescente necessidade de BNNSs de alta qualidade. A estratégia de síntese para preparar h-BN puro é baseada em uma combinação única da rota Polymer Derived Ceramics (PDCs) com o processo Spark Plasma Sintering (SPS). Através de uma investigação química e estrutural em múltiplas escalas, fica claramente demonstrado que os flocos obtidos são grandes (até 30 μm), livres de defeitos e bem cristalizados, características-chave para uma posterior esfoliação em BNNSs relevantes.

Graças ao seu notável potencial para aplicações electrónicas, as pesquisas relacionadas com nanomateriais 2D estão actualmente em franca expansão. Especialmente, o nitreto de boro hexagonal (h-BN) é um material chave, em particular no contexto de pesquisas emergentes ligadas ao grafeno. De fato, é bem sabido que os BNNSs têm sido considerados um dos melhores candidatos para substituir o SiO2 como suporte dielétrico ou camadas de cobertura para o grafeno1. A razão mais importante está ligada às imperfeições superficiais do SiO2 (rugosidade, armadilhas carregadas…), que podem limitar significativamente a mobilidade dos transportadores dentro das folhas atómicas do grafeno, afectando então as suas propriedades de transporte electrónico. Como os parâmetros de rede dos BNNSs correspondem perfeitamente aos do grafeno, esta desvantagem deve ser superada2. Trabalhos recentes apresentam ainda a possibilidade de construção de heteroestruturas multicamadas nas quais h-BN e flocos de grafeno esfoliados são alternativamente empilhados para formar transistores baseados em grafeno orientados verticalmente .

Para ter sucesso nestes domínios de aplicações, o desenvolvimento de um recurso acessível de cristais de h-BN puros e altamente cristalizados continua a ser um desafio. Hoje, apenas duas fontes principais de cristais hexagonais de nitreto de boro (h-BN) estão comumente disponíveis para a produção de BNNSs após uma clivagem mecânica ou química. Em primeiro lugar, fontes comerciais7,8, geralmente obtidas a partir de um composto de boro contendo oxigênio reagindo com uma fonte contendo nitrogênio, que são mais frequentemente caracterizadas por um alto nível de defeitos com áreas cristalinas relativamente pequenas (de menos de 2 μm até 10 μm ). Em segundo lugar, os cristais de h-BN também podem ser encontrados usando o método High Pressure High Temperature (HPHT) adotado no Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS Japão) . Este processo permite a clivagem de amostras de BN relativamente grandes (~ 100 μm) e finas (vários nm) com uma superfície atomicamente plana e baixa densidade de defeitos. No entanto, a difusão deste último recurso é dificultada pelas suas severas condições de produção, por exemplo, alta temperatura (até 2100 °C), alta pressão (5,5 GPa) e tempo de tratamento (80 h). Essas especificidades não permitem, até agora (até onde sabemos), a reprodutibilidade dessa rota por outro grupo.

Para alcançar folhas de h-BN grandes e altamente cristalizadas, duas estratégias podem ser consideradas. O primeiro consiste na deposição direta dos BNNSs necessários sobre um substrato, enquanto o segundo é baseado na geração de BNNSs por esfoliação de grandes monocristais de h-BN.

Considerando a primeira abordagem, a literatura relata sínteses de CVD e derivados de CVD de nanocamadas de BN depositadas em diferentes substratos usando precursores à base de boro e nitrogênio . No entanto, adotando tais métodos baseados em gases, é difícil controlar a formação de defeitos e ajustar o número de camadas. A segunda abordagem aproveita a fraca força interplanar do h-BN para obter, por esfoliação, uma estrutura bidimensional semelhante ao grafeno com poucas camadas (frequentemente referida como nanofolhas de BN). A esfoliação está bem documentada na literatura e pode ser realizada por métodos mecânicos16,20,21,22,23,24 ou químicos25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35. Como consequência, esta forma indireta de gerar BNNSs por esfoliação a partir de cristais de h-BN de alta qualidade parece mais relevante, mas na verdade sofre de falta de fontes de fornecimento de h-BN puro, como discutido acima.