روش‌های سنتز نانوساختارهای نیترید بور

boronnitride

روش‌های سنتز نانوساختارهای نیترید بور

روش‌های متعددی جهت سنتز نانوساختارهای نیترید بور دوبعدی مورد استفاده قرار گرفته ‌است. در این قسمت، این روش‌ها مورد بحث قرار خواهند گرفت.

الف) ورقه ورقه ای شدن مكانیكی :

تکنیک جداسازی صفحات نیترید بور به روش مکانیکی، از اولین روشهای مورد استفاده در این زمینه محسوب می شود و با نامهای دیگری نظیر پوسته پوسته شدن مکانیکی یا گسستگی (شکافتن) مکانیکی نیز شناخته شده است.در این روش، لایه های نیترید بور قرار گرفته روی لایه  Si/SiO2به وسیله ی یک نوارچسب، پوسته پوسته شده که به وسیله ی میکروسکوپ نوری ساده قابل تشخیص است. نانوصفحات تهیه شده با این روش، دارای ضخامت و اندازه مطلوبی بوده و جهت کاربرد در مطالعات مختلف مناسب هستند. با این وجود، برخلاف گرافن، این روش در تمیز دادن و جداسازی تک لایه ای یا چندلایه ای با تعداد لایه های اندک ناموفق عمل کرده است. این امر اندکی مربوط به  برهمکنش های قوی لب به لب بین صفحات نیترید بور (تشکیل پیوند شیمیایی به عنوان پل بین اتم های لایه های مجاور هم) است. در واقع انرژی سیستم از طریق کاهش پیوندهای آزاد در لبه ها و افزایش پل  ها ، کاهش می یابد بنابراین، تشکیل  نیترید بور چند لایه ای سبب پایداری کل  سیستم می شود. روش دیگر در فرآیند ورقه ای شدن مکانیکی، به کارگیری نیروهای برشی به جای استفاده از نیروهای کششی مستقیم (پوسته پوسته کردن)است. در واقع ، در طی روش پوسته پوسته کردن، نیروهای کششی منجر به شکست آسان نیروهای ضعیف واندوالسی بین لایه های مجاور شده و ساختار داخل صفحه ای با هیبریداسیون اتمیsp2  را دست نخورده نگه می دارد. یک نیروی برشی می تواند اثر مشابهی داشته باشد. در سالهای اخیر فرآیند ملایم آسیاب کردن ساچمه ای مرطوب برای تولید نانوصفحات نیترید بور از پودر آن، به روش نیروهای برشی ملایم و تحت اتمسفر نیتروژن، مورد استفاده قرار گرفته است.

ب) ورقه ای شدن شیمیایی :

تهیه نانوصفحات تک لایه ای یا چند لایهای با تعداد لایه های اندک از نیترید بور کریستالی به کمک روش مشتق شده از روش محلول شیمیایی برای اولین بار در سال 2008 انجام پذیرفت. در راستای افزایش در تشکیل نانوصفحات ورقه ای شده نیترید بور، حلالهای مختلفی در این زمینه به کار می رود. برای مثال، حلال بسیار قطبی N، دی متیل  فرمالدهید (DMF) جهت تسهیل  ورقه ای شدن به دلیل  برهمکنش های قوی بین  DMF قطبی و سطح نیترید بور مورد استفاده قرار گرفته است به گونه ای که اغلب نانوصفحات حاصل شده ضخامتی بین nm 2-10 از خود نشان دادند. همچنین، نانوصفحات مذکور قابلیت پخش مناسب در حلالهایی نظیر کلروفررم وDMF  از خود نشان دادند. در روشی دیگر، می توان پودر نیترید بور را با یک باز لوئیس عامل دار نمود. بازهای لوئیس، مانند مولکول های آمین با زنجیره های بلند آب گریز یا آب دوست قادر به تشکیل کمپلکس با اتمهای بور با اوربیتال خالی هستند.

تشکیل چنین کمپلکسی سبب تسهیل  ورقه ای شدن ساختار لایه ای نیترید بور می شود . همچنین ، از متان سولفونیک اسید (MSA) نیز برای جداسازی لایه های نیترید بور استفاده شده است. دافعه ایجاد شده بین لایه ها که ناشی از پروتونه شدن در لبه و سطح نانوصفحات است، سبب ورقه ای شدن نانوصفحات می شود. اخیراً، هیدروکسیدهای مذاب نظیر هیدروکسیدسدیم (NaOH) و هیدروکسیدپتاسیم (KOH) جهت تأمین هدف مذکور به کار برده شدند. در نتیجه ی آن، نانوصفحات پیچ خورده نیترید بور در لبه ها به دلیل جذب کاتیون های +Na یا +K روی نقاط انتهایی سطح  نیترید بور و ورود آنیونها و کاتیونها به فضای بین لایه ها و جذب آنیونها (OH) روی سطح خمیده شده مثبت که سبب پیچ خوردگی ادامه دار لایه نیترید بور می شود، تهیه شدند.

ج) نشست بخار به روش شیمیایی (CVD) :

1.3 رشد همبافته و غیر همبافته تک لایه های نیترید بور 

روشهای نشست برای چند دهه جهت رشد همبافته فیلمهای نازک نیترید بور به کار برده شده است. برای مثال، تخریب حرارتی و واکنش آمونیاک با تری کلرید بور ( BCl3) در دمای C°2300-1450، سبب نشست روکش نیترید بور روی سطح مورد نظر شد. همچنین، آمونیاک و دی بوران (B2H6) به عنوان پیش ماده برای نشست فیلمهای نازک نیترید بور آمورف  (ضخامت کمتر از 600nm) روی سطوح سیلیکون (Si) یا فلزی مانند تانتالوم (Ta) ، مولیبدن (Mo) و ژرمانیوم (Ge) در گستره دمایی C° 1000- 600، مورد استفاده قرار گرفت. در حال حاضر رشد همبافته فیلمهای نازک نیترید بور، شامل به کارگیری پیش ماده های شیمیایی مختلف مانند  B2H6-,BCl3-NH3,BF3-NH3، و یا پیرولیز تک پیش ماده ها نظیر بورازین (B3N3H6) ، تری کلروبورازین (3B3N3H3Cl) یا هگزاکلروبرورازین (6B3N3Cl) است. یکی از سطوح فلزی جهت تهیه تک لایه h-BN مطلوب که مطالعات زیادی روی آن انجام شده ، (111)Ni است .

سیستم های متعددی جهت انجام CVD به صورت غیرهمبافته برای تهیه نانوساختار های دو بعدی نیترید بورگزارش شده است. در بیشتر حالتها، لایه های نیترید بور روی سطح رشد می کنند با این وجود، تعدادی از روش های بدون استفاده از سطح نیز وجود دارد. در روش نشست بخار شیمیایی حرارتی با استفاده از پیش ماده های جامد (پودرهای  MgO ، B و FeO) و حرارت دهی تا دمای C° 1000-1300 در یک کوره تیوبی افقی تحت جریان 3NH ، نانوصفحات رشد یافته در جهت عمودی روی سطح Si/SiO2، با اندازه و مورفولوژیهای مختلف )وابسته به دمای سنتز (به دست خواهند آمد. با افزایش دما از C° 1000 به C°1200، نانوصفحات در عرض بیشتر رشد کرده و در دمای C° 1300 شاخه دار شدن نانوصفحات روی سطح سبب تشکیل ساختار سه بعدی خاصی می شود. ضخامت لایه ها عموماً کمتر ازnm  8 بوده و نانوصفحات رشد یافته در دماهای بالاتر، کریستالینیته بهتری از خود نشان می دهند.

د) واکنشهای جانشینی :

در یک واکنش جانشینی، یک اتم یا یک گروه عاملی در ترکیبی شیمیایی با اتم یا گروهی دیگر جایگزین می شود .

در برخی از مطالعات، پودر B2O3 در بوته گرافیتی باز قرار گرفته و با اکسید مولیبدن (MoO3) به عنوان عامل  پیش برنده، و سپس با صفحات گرافن پوشش داده شد. بوته برای 31 دقیقه و در دمای C° 1650 در معرض جریان N2 قرار گرفت. پس از آن، محصول از بستر صفحات گرافنی جمع آوری شده و در جریران هوا به مدت 30 دقیقه تا دمای C°650 حرارت داده شد تا لایه های کربنی باقی مانده حذف  شده و نیترید بور خالص به دست آید.

ه) تابش الكترونی با انرژی بالا :

تولید تک لایه های نیترید بور با تابش الکترونی پرتوان کنترل شده با استفاده از فرآیند کاتد پرانی لایه به لایه درون دستگاه TEM قابل دستیابی خواهد بود. در ابتدا، نانوپولکها و پودرهای نیترید بور تحت شکست مکانیکی قرارمی گیرد تا صفحات نیترید بور با تعداد لایه های کاهش یافته به دست آید. سپس، لایه ها در جهت تشکیل  لایه های نازکتر و تک لایه، تحت تابش پرتو الکترونی شدید قرار میگیرد. در این فرآیند، پرتو الکترون تابشی با قطر نانومتری کوچک، روی نمونه متمرکز شده و شدت پرتو روی مقدار بالا تنظیم می شود.

نتیجه گیری

استفاده از نانوصفحات دو بعدی h-BN در سالهای اخیر، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده و مطالعات گسترده ای روی آن صورت پذیرفته است. این ترکیب به دلی  خواص بینظیری، مانند هدایت حرارتی بالا وعایق بودن الکتریکی، قابلیت کاربرد در راستای بهبود خنک کاری در صنایع و فن آوری های در حال توسعه نظیر سیالات، الکترونیک، ارتباطات و دستگاههای صنعتی را خواهد داشت. این ترکیب، یک آنالوگ ساختاری از گرافن با فضای بین لایه ای nm 333/0 با قابلیت تشکیل ساختار یک بعدی و دو بعدی مشابه کربن نانوتیوب و گرافن است. اگرچه h-BN قدرت مکانیکی و هدایت حرارتی مشابه گرافن دارد، ولی با دارا بودن یک شکاف باند انرژی زیاد ، این ترکیب به عایق الکتریکی تبدیل شده است .

آموزش هانانو

نیترید بورواکنش جانشینیورقه ای شدن

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *