PDC와 SPS 방법을 결합한 새로운 공정을 통해 합성된 순수하고 결정화된 2D 질화붕소 시트

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20388(2016) 이 기사 인용

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그래핀과 관련된 새로운 연구의 맥락에서, 2D BN이라고도 하는 h-BN 나노시트(BNNS)가 그래핀의 유전체 지지체 또는 캡핑 층으로 SiO2를 대체할 수 있는 가장 좋은 후보로 간주된다는 것은 잘 알려져 있습니다. 결과적으로, 추가 박리에 적합한 고도로 결정화된 h-BN 결정을 위한 새로운 대체 소스의 개발은 주요 과학적 문제입니다. 본 논문은 BNNS로 쉽게 박리될 수 있는 순수하고 잘 결정화된 h-BN 플레이크를 합성하는 유망한 접근 방식을 제안합니다. 이 새로운 접근 가능한 생산 프로세스는 고품질 BNNS에 대한 수요 증가에 대응하는 적절한 대체 공급원을 나타냅니다. 순수한 h-BN을 제조하기 위한 합성 전략은 PDC(Polymer Derived Ceramics) 경로와 SPS(Spark Plasma Sintering) 공정의 독특한 조합을 기반으로 합니다. 다중 규모의 화학적 및 구조적 조사를 통해 얻은 플레이크는 크고(최대 30μm) 결함이 없으며 잘 결정화되어 있으며 이는 관련 BNNS로의 후속 박리를 위한 주요 특징입니다.

전자 응용 분야에서의 놀라운 잠재력 덕분에 현재 2차원 나노물질 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 특히, 육방정계 질화붕소(h-BN)는 특히 그래핀과 관련된 새로운 연구 맥락에서 핵심 소재입니다. 실제로, BNNS는 유전체 지지체 또는 그래핀의 캡핑 층으로서 SiO2를 대체할 수 있는 최고의 후보 중 하나로 간주되어 왔다는 것은 잘 알려져 있습니다1. 가장 중요한 이유는 SiO2 표면 결함(거칠기, 전하 트랩 등)과 관련되어 있으며, 이는 그래핀 원자 시트 내 캐리어의 이동성을 크게 제한하여 전자 전달 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. BNNS의 격자 매개변수는 그래핀의 격자 매개변수와 완벽하게 일치하므로 이러한 단점을 극복해야 합니다2. 최근 연구3,4에서는 h-BN과 박리된 그래핀 플레이크가 교대로 적층되어 수직 방향의 그래핀 기반 트랜지스터를 형성하는 다층 이종 구조를 구축할 가능성도 제시되었습니다.

이러한 응용 분야에서 성공하려면 순수하고 고도로 결정화된 h-BN 결정의 접근 가능한 자원을 개발하는 것이 여전히 어려운 일입니다. 오늘날 기계적 또는 화학적 절단 후 BNNS 생산에 일반적으로 사용할 수 있는 육방정계 질화붕소(h-BN) 결정의 두 가지 주요 공급원이 있습니다. 첫째, 일반적으로 질소 함유 소스와 반응하는 산소 함유 붕소 화합물로부터 얻어지는 상업적 소스7,8는 상대적으로 작은 결정 영역(2μm 미만에서 최대 10μm까지)과 높은 수준의 결함을 특징으로 합니다. ). 둘째, h-BN 결정은 국립 재료 과학 연구소(NIMS Japan)9,10에서 채택한 고압 고온(HPHT) 방법을 사용하여 찾을 수도 있습니다. 이 공정을 통해 원자적으로 평평한 표면과 낮은 결함 밀도를 갖는 상대적으로 크고(~100μm) 얇은(수 nm) BN 샘플을 절단할 수 있습니다. 그러나 후자 자원의 확산은 고온(최대 2100°C), 고압(5.5GPa) 및 처리 시간(80시간)과 같은 가혹한 생산 조건으로 인해 방해를 받습니다. 이러한 특수성으로 인해 현재까지 (우리가 아는 한) 다른 그룹이 해당 경로를 재현할 수 없습니다.

크고 결정화된 h-BN 시트를 얻기 위해서는 두 가지 전략을 고려할 수 있습니다. 첫 번째는 기판에 필요한 BNNS를 직접 증착하는 것으로 구성되는 반면, 두 번째는 대형 h-BN 단결정의 박리에 의한 BNNS 생성을 기반으로 합니다.

첫 번째 접근법을 고려하면 문헌에서는 붕소 및 질소 기반 전구체를 사용하여 다양한 기판에 증착된 BN 나노층의 CVD 및 CVD 파생물 합성을 보고합니다. 그러나 이러한 기체 기반 방법을 채택하면 결함 형성을 제어하고 층 수를 조정하는 것이 어렵습니다. 두 번째 접근법은 약한 h-BN 평면간 힘을 이용하여 박리를 통해 2차원 수층 그래핀 유사 구조(BN 나노시트라고도 함)를 얻습니다. 각질 제거는 문헌에 잘 기록되어 있으며 기계적16,20,21,22,23,24 또는 화학적25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35 방법으로 수행할 수 있습니다. 결과적으로 고품질 h-BN 결정에서 박리하여 BNNS를 생성하는 이러한 간접적인 방법은 더 적절해 보이지만 실제로는 위에서 논의한 것처럼 순수한 h-BN 공급원이 부족합니다.