Гексагональный нитрид бора¶

Гексагональный нитрид бора (h-BN, белый графит) — это полиморфная модификация нитрида бора с гексагональной кристаллической решёткой, аналогичной решётке графита. Представляет собой твёрдое вещество белого цвета, обладающее высокой термической стабильностью, химической инертностью и диэлектрическими свойствами. В отличие от графита, h-BN является электроизолятором, но при этом сохраняет высокую теплопроводность, что делает его востребованным материалом в электронике и высокотемпературных приложениях.

¶Структура и свойства

Кристаллическая структура h-BN образована плоскими слоями, в которых атомы бора и азота соединены ковалентными связями в гексагональные ячейки. Слои удерживаются вместе слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что обеспечивает лёгкое расслаивание материала — аналогично графиту. Расстояние между слоями составляет около 0,333 нм.

Ключевые физические свойства:

• плотность — 2,1–2,3 г/см³;
• температура плавления (возгонки) — около 3000 °C в инертной атмосфере;
• твёрдость по Моосу — 1–2 (низкая, обусловлена слоистой структурой);
• ширина запрещённой зоны — около 5,9 эВ (диэлектрик);
• теплопроводность — до 400 Вт/(м·К) в плоскости слоёв;
• коэффициент трения — низкий, сравним с графитом.

Материал обладает высокой устойчивостью к окислению (до 1000 °C на воздухе), не смачивается расплавами металлов и устойчив к воздействию большинства химических реагентов, за исключением концентрированных кислот и щелочей при высоких температурах.

¶Получение

Промышленное получение h-BN осуществляется несколькими методами:

• Реакция оксида бора (B₂O₃) с аммиаком при температуре 900–1200 °C с последующей высокотемпературной обработкой.
• Прямой синтез из элементарных бора и азота при температуре выше 1800 °C.
• Карботермическое восстановление борной кислоты в атмосфере азота.
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — для получения тонких плёнок и двумерных слоёв.

Для получения высококристаллического материала применяют рекристаллизацию при температурах 2000–2500 °C и высоких давлениях.

¶Применение

¶Высокотемпературная техника

Благодаря термостойкости и химической инертности h-BN используется для изготовления тиглей, изоляторов, подложек и защитных покрытий, работающих при температурах до 2000 °C в вакууме или инертной среде.

¶Электроника

В качестве диэлектрического материала h-BN применяется в производстве высоковольтных изоляторов, СВЧ-приборов и вакуумных электронных устройств. Тонкие плёнки h-BN используются в качестве подложек для графена и других двумерных материалов, поскольку обеспечивают высокую подвижность носителей заряда.

¶Смазочные материалы

Порошок h-BN используется как твёрдая смазка в узлах трения, работающих при высоких температурах, где традиционные масла неэффективны. Добавляется в смазочные композиции и полимерные матрицы.

¶Косметика и керамика

Благодаря белизне и мягкости h-BN входит в состав декоративной косметики (тени, пудры) и используется как наполнитель в керамических композициях для улучшения обрабатываемости.

¶Ядерная энергетика

Изотоп ¹⁰B, входящий в состав природного бора, эффективно поглощает нейтроны, поэтому h-BN применяется в качестве компонента нейтронозащитных материалов и в системах управления ядерных реакторов.

¶Двумерный гексагональный нитрид бора

В 2004–2010-х годах, после открытия графена, был разработан метод получения монослоёв h-BN (так называемый «белый графен»). Монослой h-BN представляет собой двумерный диэлектрик с шириной запрещённой зоны около 6 эВ, обладающий высокой механической прочностью и термической стабильностью. Он используется в гетероструктурах с графеном и дихалькогенидами переходных металлов для создания транзисторов, фотодетекторов и мемристоров.

¶Отличие от других модификаций нитрида бора

Помимо гексагональной, существуют кубическая (c-BN, аналог алмаза) и вюрцитная (w-BN) модификации нитрида бора. Кубический нитрид бора обладает высокой твёрдостью (второй после алмаза) и используется как абразивный материал. Гексагональная модификация отличается мягкостью, слоистой структурой и диэлектрическими свойствами, что определяет её специфическое применение.

¶Источники

• Свойства и применение нитрида бора: обзор в Journal of Materials Science, 2019.
• Структура и полиморфизм нитрида бора: данные Международного союза кристаллографии.
• Технологии получения h-BN: материалы конференции по высокотемпературной керамике, 2021.