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“白色石墨烯”——有望超越石墨烯的二维材料

发布时间:2019-05-31 丨 阅读次数:

“白色石墨烯”——有望超越石墨烯的二维材料

在开始介绍“白色石墨烯”之前,我们先来了解一下二维材料的基本概念。


二维材料大家族


二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料,如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学(University of Manchester)Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。


石墨烯以其突出的高载流子迁移率、高强度、高透光率、优良的导热能力等特点,无论是在理论研究还是应用领域,都引起了全世界科研人员的极大兴趣。后续又有一些其他的二维材料陆续被分离出来,如:黑磷、锡烯、硅烯、氮化硼、二硫化钼、二硒化钨等。


二维材料结构(从上至下:石墨烯,BN,MoS2,WSe2)

图片来源:MitchJacoby. 2-D materials stack up. C&EN, 2017, 95, 36–40.


目前除石墨烯外,科学家们已发展了五大体系的二维材料:MXenes(超薄碳化物或氮化物二维材料)、Xenes(单原子层单质二维材料)、Organicmaterials(有机二维材料)、TMD(过渡金属二硫族化物)以及Nitrides(氮化物)。


图片来源:MitchJacoby. 2-D materials stack up. C&EN, 2017, 95, 36–40


石墨烯的透光率、二硫化钼的直接带隙、氮化硼的绝缘性、黑磷烯的半导体性、锡烯的超导电性等特性能让二维材料在不同的领域发挥各自特长。虽然目前人们对二维材料的研究才刚刚起步,但这些二维材料神奇的特性吸引着越来越多的科研人员投身该领域的研究。


接下来小编再为大家详细开讲,“白色石墨烯”的性质及应用。


“白色石墨烯”是什么?


“白色石墨烯”是六方氮化硼(英文名称为Hexagonal Boron Nitride,缩写为h-BN)的别名,由于六方氮化硼的结构和石墨非常相似,具有六方层状结构,质地柔软,可加工性强,并且颜色为白色,所以俗称“白石墨”(现也被称作“白色石墨烯”)。


图片来源:青州市方圆氮化硼厂

六方氮化硼粉末


六方氮化硼和石墨烯都是仅一个原子厚度的层状二维材料,不同之处在于石墨烯结合纯属碳原子之间的共价键,而六方氮化硼晶体中的结合则是硼、氮异类原子间的共价结合。



虽然结构类似,但是两者在电学性能方面却有着天壤之别。六方氮化硼因为层状结构中没有可自由移动的电子,是一种天然绝缘体,而石墨烯却是一种优良的导体。


图片来源: Ntt-Review

六方氮化硼结构示意图


另外,h-BN还具有高热稳定性、良好的导热性和电绝缘性、宽带隙(约5.5 eV)、独特的紫外发光性能、润滑性好、机械强度高、耐化学腐蚀性,具有中子吸收能力等明显特点。


图片来源: Wikipedia

六方氮化硼结构示意图


“白色石墨烯”的广泛应用


所谓结构决定性能,性能决定应用,六方氮化硼具备的多种特性,使得它被广泛应用于高科技领域。如:制备立方氮化硼、陶瓷制品、导热塑料、颜料、精密铸造脱模剂、透波材料、化妆品、芯片散热材料等。


芯片散热材料


随着电子元件和系统的体积不断变小,速度不断变快,热处理和可靠性成了影响它们寿命的关键问题。局部高热流热点的热管理是大功率电子器件的关键,不理想的散热会造成芯片中特殊区域温度过高,影响电子系统性能和电子器件的可靠性。


图片来源:Google


虽然石墨烯有着超高的热导率(5300W/( m·K) ),但是在实验中发现,芯片表面的二氧化硅绝缘层厚度会影响石墨烯的散热效果,二氧化硅层太厚会阻碍热点热量向石墨烯层有效传导,太薄又容易使金属电路和石墨烯层接触而出现短路。而六方氮化硼,作为一种既绝缘又高导热的材料,将成为提高芯片散热能力的关键材料。


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