Forskere opdager ny fase af bornitrid og en ny måde at skabe ren c-BN

Forskere ved North Carolina State University har opdaget en ny fase af materialet bornitrid (Q-BN), som har potentielle anvendelsesmuligheder for både fremstillingsværktøjer og elektroniske displays. Forskerne har også udviklet en ny teknik til at skabe kubisk bornitrid (c-BN) ved omgivende temperaturer og lufttryk, som har en række applikationer, herunder udvikling af avancerede elnetteknologier.

"Dette er en efterfølger til vores Q-carbon-opdagelse og konvertering af Q-carbon til diamant, " siger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor i Materials Science and Engineering ved NC State og hovedforfatter på et papir, der beskriver forskningen. "Vi har omgået, hvad man mente at være grænserne for bornitrids termodynamik ved hjælp af kinetik og tidsstyring for at skabe denne nye fase af bornitrid.

"Vi har også udviklet en hurtigere, billigere måde at oprette c-BN på, gør materialet mere levedygtigt til applikationer som højeffektelektronik, transistorer og solid state-enheder, " Narayan siger. "C-BN nanonåle og mikronåle, som kan laves ved hjælp af vores teknik, har også potentiale til brug i biomedicinsk udstyr." C-BN er en form for bornitrid, der har en kubisk krystallinsk struktur, analogt med diamant.

Tidlige test viser, at Q-BN er hårdere end diamant, og det har en fordel i forhold til diamant, når det kommer til at skabe skærende værktøjer. Diamant, som alt kulstof, reagerer med jern og jernholdige materialer. Det gør Q-BN ikke. Q-BN har en amorf struktur, og det kan nemt bruges til at belægge skæreværktøjer, forhindrer dem i at reagere med jernholdige materialer.

"Vi har også skabt diamant/c-BN krystallinske kompositter til næste generations højhastighedsbearbejdning og dybhavsboreapplikationer, " Narayan siger. "Specielt, vi har dyrket diamant på c-BN ved hjælp af pulserende laseraflejring af kulstof ved 500 grader Celsius uden tilstedeværelse af brint, skabe c-BN og diamant epitaksiale kompositter."

Q-BN har også en lav arbejdsfunktion og negativ elektronaffinitet, hvilket effektivt betyder, at det lyser i mørke, når det udsættes for meget lave niveauer af elektriske felter. Disse egenskaber er, hvad der gør det til et lovende materiale til energieffektive displayteknologier.

For at lave Q-BN, forskere begynder med et lag af termodynamisk stabil hexagonal bornitrid (h-BN), som kan være op til 500-1000 nanometer tyk. Materialet placeres på et substrat, og forskere bruger derefter højeffekt laserimpulser til hurtigt at opvarme h-BN til 2, 800 grader Kelvin, eller 4, 580 grader Fahrenheit. Derefter bratkøles materialet, ved hjælp af et underlag, der hurtigt absorberer varmen. Hele processen tager cirka en femtedel af et mikrosekund og udføres ved omgivende lufttryk.

Ved at manipulere såsubstratet under materialet og den tid det tager at afkøle materialet, forskere kan kontrollere, om h-BN konverteres til Q-BN eller c-BN. De samme variabler kan bruges til at bestemme, om c-BN dannes til mikronåle, nanonåle, nanodots, mikrokrystaller eller en film.

"Ved at bruge denne teknik, vi er i stand til at skabe op til en 100- til 200-kvadrat-tommer film af Q-BN eller c-BN på et sekund, " siger Narayan.

Til sammenligning, tidligere teknikker til at skabe c-BN krævede opvarmning af hexagonalt bornitrid til 3, 500 grader Kelvin (5, 840 grader Fahrenheit) og anvender 95, 000 atmosfæres tryk.

C-BN har lignende egenskaber som diamant, men har flere fordele i forhold til diamant:c-BN har et højere båndgab, hvilket er attraktivt til brug i højeffektenheder; c-BN kan "dopes" for at give det positivt- og negativt ladede lag, hvilket betyder, at det kunne bruges til at lave transistorer; og det danner et stabilt oxidlag på overfladen, når det udsættes for ilt, gør den stabil ved høje temperaturer. Denne sidste egenskab betyder, at den kan bruges til fremstilling af solid state-enheder og beskyttende belægninger til højhastigheds-bearbejdningsværktøjer, der bruges i ilt-omgivende miljøer.

"Vi er optimistiske om, at vores opdagelse vil blive brugt til at udvikle c-BN-baserede transistorer og enheder med høj effekt til at erstatte omfangsrige transformere og hjælpe med at skabe den næste generation af elnettet, " siger Narayan.