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May 16, 2023

Oltre il grafene: l'eccezionale potere di due

As technology advances, scientists are searching for new materials to meet the

Con l’avanzare della tecnologia, gli scienziati sono alla ricerca di nuovi materiali per soddisfare le esigenze del nostro mondo in continua evoluzione. Una delle categorie più promettenti è quella dei materiali bidimensionali (2D), che hanno uno spessore di solo pochi atomi. Tra questi, il nitruro di boro (BN), un composto inorganico costituito da un numero uguale di atomi di boro e azoto, è attualmente oggetto di numerose ricerche e sviluppi. Il BN è un materiale unico le cui proprietà possono variare a seconda della disposizione degli atomi di B e N.

Le varie forme di BN sono isostrutturali ai materiali di carbonio. La forma cubica del BN (c-BN) ha una disposizione cristallina simile a quella del diamante, mentre la struttura esagonale del BN (h-BN), che è la forma cristallina più stabile, ricorda la grafite. A causa di questa caratteristica isostrutturale, l'h-BN è anche chiamata 'grafite bianca'. È un materiale stratificato in cui, in ogni strato, gli atomi di azoto e boro sono fortemente legati da legami covalenti in un reticolo a nido d'ape. Gli strati sono tenuti insieme da interazioni deboli, le forze di van der Waals. La disposizione interstrato di questi fogli, tuttavia, differisce dal modello osservato per la grafite, poiché gli atomi sono sfalsati, il che porta a diversi politipi, il più famoso, dopo h-BN, è quello romboedrico (r-BN). In h-BN, gli atomi B sono sopra gli atomi N. Questa struttura conduce a un materiale ceramico estremamente stabile con elevata conduttività termica che è anche un eccellente isolante elettrico, con un intervallo di banda ultra ampio di circa 6 eV. Negli ultimi anni, con l’ascesa del grafene1 e il conseguente progresso della ricerca sui nanofogli grafitici mono e multistrato, si è sviluppato un crescente interesse per l’h-BN 2D.

Con la stessa struttura a nido d'ape e parametri reticolari notevolmente vicini a quelli della grafite,2 è spesso considerato un substrato isolante ideale per il grafene e il miglior materiale barriera nelle eterostrutture vdW.3 Tutte queste proprietà rendono h-BN ideale per l'uso in elettronica, fotonica e optoelettronica, dove può essere utilizzato per creare una varietà di dispositivi, inclusi transistor, fotorilevatori e sensori. Di conseguenza, l’h-BN è diventato un materiale chiave nella ricerca sui materiali 2D e un candidato promettente per future innovazioni tecnologiche.4

Per tutti questi motivi, è diventato sempre più importante sviluppare metodi efficienti ed economici per la sintesi di fogli h-BN. L'H-BN non si trova in natura perché la sua sintesi è un processo difficile a causa dell'elevata reattività dei suoi componenti che devono essere combinati in rapporti specifici a temperature e pressioni estreme, il che può essere difficile da ottenere. Il BN viene quindi prodotto solo sinteticamente, principalmente da boro puro, acido borico (H3BO3)5 o triossido di boro (B2O3).

Negli ultimi anni sono stati sviluppati altri metodi per sintetizzare nanostrutture 2D h-BN. Si possono distinguere due approcci principali, l’approccio bottom-up e l’approccio top-down. L’approccio dal basso verso l’alto prevede la crescita o l’assemblaggio di nanostrutture BN da piccoli elementi costitutivi. Questi elementi costitutivi possono essere molecole inorganiche o organiche. Ad esempio, i nanofogli h-BN possono essere sintetizzati da molecole di borazina (B3N3H6) utilizzando la deposizione chimica da fase vapore (CVD), un processo chimico in cui una fase vapore viene utilizzata per depositare una sottile pellicola di materiale su un substrato. La borazina viene tipicamente alimentata in un reattore ad alta temperatura dove viene decomposta per formare strati di h-BN sul substrato. I film di h-BN depositati CVD sono prevalentemente policristallini con una granulometria generalmente di diverse decine di micrometri con forma triangolare. È possibile ottenere depositi su scala wafer, ma spesso è necessario trasferirli sul substrato target per l'integrazione del processo industriale. Il metodo top-down, invece, prevede di partire da un materiale h-BN sfuso preesistente per poi ridurne gradualmente le dimensioni fino ad ottenere lo spessore desiderato. Questo approccio viene generalmente utilizzato per produrre nanofogli di h-BN utilizzando l'esfoliazione chimica o meccanica per rompere le forze di Van der Waals tra gli strati esagonali e separare fisicamente i fogli 2D risultanti di h-BN dal materiale sfuso. Anche se la dimensione delle strutture esfoliate è solitamente ridotta e la loro resa può essere ridotta, la qualità originale del materiale sfuso di partenza viene mantenuta dopo l'esfoliazione. Pertanto, è importante disporre di sorgenti h-BN monocristalline di grandi dimensioni (dell'ordine di pochi millimetri) come materiali di partenza disponibili per l'esfoliazione di fogli h-BN 2D che possano essere ulteriormente integrati in dispositivi commerciali. Tuttavia, ottenere cristalli fino alla scala millimetrica rimane una sfida.