Leitfaden Bornitrid: Eigenschaften, Struktur und Anwendungen

1 Einleitung

Auf der Suche nach schnelleren Chips und haltbareren Geräten sind thermische Engpässe und Materialversagen in extremen Umgebungen zu unüberwindbaren Hindernissen geworden. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Kernenergie und die High-End-Fertigung sind auf der Suche nach stabilen Materialien für extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen, hoher Druck, starke Korrosion und intensive Strahlung. Während Graphen und Siliziumkarbid schon seit einiger Zeit im Blickpunkt der Öffentlichkeit stehen, stellt sich eine andere Verbindung, Bornitrid (BN), mit ihren einzigartigen strukturellen Eigenschaften diesen Herausforderungen im Stillen.

Es dient als Beschichtung zur Wärmeableitung, die es Supercomputerchips ermöglicht, mit voller Geschwindigkeit zu arbeiten; als Schutzschicht, die Raketentriebwerke vor Temperaturen von Tausenden von Grad Celsius abschirmt; als Werkzeugmaterial, das härter als Diamant ist, für die Bearbeitung von abgeschrecktem Stahl; und sogar als kritisches Material für den Nachweis von Kernstrahlung. BN ist ein vielseitiges Material, das Hochtemperaturstabilität, extreme Isolierung, ultrahohe Wärmeleitfähigkeit, superharte Verschleißfestigkeit und chemische Inertheit miteinander verbindet.

Diese außergewöhnlichen Anwendungen beruhen auf der tiefgreifenden Struktur-Eigenschafts-Beziehung zwischen der komplizierten Kristallstruktur von BN (allotrope Form) und seiner Leistungsfähigkeit. In diesem Artikel wird untersucht, wie Bornitrid aus atomaren Anordnungen Wunder schafft, die Leistungsgeheimnisse seiner verschiedenen Formen (z. B. hexagonales h-BN und kubisches c-BN) aufgedeckt, die wichtigsten Herausforderungen bei seinen Präparationsverfahren umrissen und sein immenses Potenzial bei der Bewältigung kritischer Herausforderungen im Energie-, Informations- und Fertigungssektor der Zukunft untersucht.

Abb. 1 Anwendung von BN in Raketentriebwerken

2 Konzepte und Materialstruktur

Bornitrid (BN) ist eine binäre kovalente Verbindung, die aus Bor- (B) und Stickstoffatomen (N) im Verhältnis 1:1 besteht. Die B-N-Bindung weist sowohl einen starken kovalenten Charakter als auch eine signifikante Polarität (Elektronegativitätsunterschied ≈ 1,0) auf, wobei die Bindungsenergie die von C-C-Bindungen übersteigt, was die Grundlage für die hohe Stabilität des Materials bildet. Der einzigartige Wert von BN ergibt sich aus seinen reichhaltigen allotropen Eigenschaften: Unterschiede in der atomaren Anordnung führen zu grundlegenden Verschiebungen der makroskopischen Eigenschaften.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist die häufigste Form und weist eine graphitähnliche Schichtstruktur auf. Bor- und Stickstoffatome bilden durch sp2-Hybridisierung hexagonale Ringe, wobei die Bindung zwischen den Schichten durch van der Waals-Kräfte aufrechterhalten wird. Diese Struktur verleiht h-BN eine hohe Anisotropie: In der Ebene liegende Richtungen weisen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (≈400 W/m-K), mechanische Festigkeit und Isoliereigenschaften mit breiter Bandlücke (~6 eV) auf; schwache Wechselwirkungen zwischen den Schichten verleihen ihm einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (0,03-0,1) und eine Hochtemperaturschmierfähigkeit, die in Luft über 1000 °C stabil bleibt.

Im Gegensatz dazu sind kubisches Bornitrid (c-BN) und wurtzitisches Bornitrid (w-BN) durch sp3-Hybridisierung zu dreidimensionalen kovalenten Netzwerken aufgebaut. c-BN weist eine diamantartige tetraedrische Struktur (kubisches Kristallsystem) auf, während w-BN eine hexagonal dicht gepackte Struktur (hexagonales Kristallsystem) besitzt. Beide sind für ihre extrem hohe Härte bekannt (c-BN hat eine Härte von 45-50 GPa, die nur von Diamant übertroffen wird). Diese dichte Struktur verleiht auch eine nahezu isotrope hohe Wärmeleitfähigkeit (c-BN ≈ 750 W/m-K), thermische Stabilität über 1400°C (in einer inerten Atmosphäre) und Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke (c-BN-Bandlücke ~6,4 eV).

Abb. 2 Die Struktur von cBN, wBN, rBN und hBN

Alle BN-Varianten weisen eine außergewöhnliche chemische Inertheit auf und widerstehen der Korrosion durch Säuren, Laugen und geschmolzene Metalle. Die schichtweisen Gleiteigenschaften von h-BN und die extrem harte Verschleißfestigkeit von c-BN/w-BN ergeben sich im Wesentlichen aus den direkten Auswirkungen ihrer sp2-Schichtstruktur und ihres sp3-Raumnetzes in Bezug auf die atomaren Bindungsmuster und die Kristallsymmetrie. Diese Struktur-Performance-Korrelation bildet die zentrale Logik für das Verständnis des Bornitrid-Materialsystems.

Tabelle 1 Vergleich der verschiedenen Strukturtypen BN

3 Physikalische und chemische Eigenschaften

3.1 Thermische Eigenschaften

Bornitrid zeigt eine unvergleichliche Leistung bei extremen Wärmemanagementanwendungen. Hexagonales Bornitrid (h-BN) weist entlang der Atomschichtebene eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit auf (ca. 400 W/m-K), die mit der von Graphen konkurriert, während seine Wärmeleitfähigkeit in der senkrechten Richtung deutlich geringer ist. Diese starke Anisotropie macht es zur idealen Wahl für Materialien zur gerichteten Wärmeableitung. Kubisches Bornitrid (c-BN) hingegen weist eine hohe isotrope Wärmeleitfähigkeit (ca. 750 W/m-K) auf und übertrifft damit die meisten Metalle. Noch wichtiger ist, dass h-BN in einer oxidierenden Atmosphäre bei Temperaturen über 1000°C stabil bleibt, während c-BN in einer inerten Umgebung Temperaturen von über 1400°C standhalten kann. Beide Materialien haben extrem niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, die eine materielle Grundlage für thermische Barrierebeschichtungen von Hochtemperaturgeräten und Wärmeableitungssubstrate bilden.

3.2 Elektrische Eigenschaften

Die Eigenschaften von Bornitrid mit breiter Bandlücke bestimmen seine einzigartige Position in der Elektronikindustrie. h-BN hat als Isolator mit breiter Bandlücke (Bandlückenbreite ~6 eV) eine Durchbruchfeldstärke von bis zu 800 kV/cm und keine baumelnden Bindungen auf seiner Oberfläche, was es zu einer idealen dielektrischen Schicht für zweidimensionale Transistoren (wie Graphen- und Molybdändisulfid-Bauelemente) macht und die Grenzflächenstreuung wirksam unterdrückt. c-BN hingegen kombiniert eine extrem breite Bandlücke von 6,4 eV mit einer kontrollierbaren p-Dotierung. Seine stabilen Halbleitereigenschaften bei hohen Temperaturen eröffnen Möglichkeiten für die Entwicklung von optoelektronischen Bauelementen für tiefes Ultraviolett, von Detektoren für raue Strahlungsumgebungen und von elektronischen Komponenten für hohe Frequenzen und hohe Leistungen.

3.3 Mechanische Eigenschaften

Bornitrid weist eine extreme Differenzierung seiner mechanischen Eigenschaften auf, die sowohl Steifigkeit als auch Flexibilität vereinen. Die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Schichten in h-BN verleihen ihm einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (0,03-0,1), was es zu einem idealen "Festschmierstoff" unter Hochtemperaturbedingungen macht. Im Vakuum oder in einer inerten Umgebung übertrifft seine Reibungsleistung sogar die von Graphit. Das dreidimensionale Netzwerk aus sp3-Bindungen verleiht c-BN eine Vickers-Härte von 45-50 GPa, die nur von Diamant übertroffen wird, sowie eine höhere thermische Stabilität und eine einzigartige chemische Inertheit - bei der Bearbeitung von Metallen der Eisengruppe katalysiert c-BN keine Graphitierung. Diese Eigenschaft verschafft c-BN-Werkzeugen einen unersetzlichen Vorteil im Bereich der Bearbeitung von Hartlegierungen.

3.4 Chemische Eigenschaften

Die chemische Inertheit von Bornitrid ist die Grundlage für sein Überleben in korrosiven Umgebungen. Sowohl h-BN als auch c-BN weisen eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber den meisten Säuren, Laugen und geschmolzenen Metallen (wie Aluminium, Kupfer und Stahl) auf. h-BN widersteht der Erosion von geschmolzenem Aluminium bei 900 °C und übertrifft damit herkömmliche Keramiken bei weitem. c-BN bleibt in Kontakten mit Hochtemperaturlegierungen auf Eisenbasis stabil und vermeidet das bei Diamantwerkzeugen häufig auftretende Versagen durch Kohlenstoffdiffusion. Diese "passive" Eigenschaft macht es zu einem wichtigen Material für die Auskleidung von Behältern für geschmolzenes Metall, Verbrauchsmaterialien für die Halbleiterherstellung und Neutronenabsorptionskomponenten in Kernreaktoren.

Abb. 3 Hexagonale Bornitrid-Nanobeschichtung reduziert die Skalierung in Rohren in realen Wasserumgebungen

3.5 Besondere funktionelle Eigenschaften

Die einzigartigen Eigenschaften von Bornitrid eröffnen neue Wege in den Bereichen der Spitzentechnologie. h-BN-Einzelphotonenquellen (Bor-Vakanz-Farbzentren) sind vielversprechend für die Quantenkommunikation, und ihre atomar flachen Oberflächen unterstützen die Erforschung neuartiger Quantenzustände wie topologischer Isolatoren. c-BN-Phonon-Polaritonen ermöglichen die Kontrolle von Infrarotlicht im Subwellenlängenbereich und eröffnen neue Wege für die Metasurface-Technologie. Darüber hinaus bieten die tief ultravioletten Fluoreszenzeigenschaften von h-BN-Nanoblättern einen Durchbruch bei der Biomarkierung und der fälschungssicheren Codierung, während die elektrische Ultrahochdruckleitfähigkeit von w-BN auf die nächste Generation mechatronischer Wandlermaterialien hinweist.

4 Herstellungsverfahren

Das System der Synthesetechnologie für Bornitrid dreht sich um die Kontrolle der Kristallstruktur und die Anforderungen an die Anwendungsleistung. Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) ist die wichtigste Methode zur Herstellung von Hochleistungsdünnschichten, bei der eine atomar kontrollierte Abscheidung durch die Reaktion gasförmiger Vorläufer (z. B. das BCl3-NH3-System) auf einer erhitzten Substratoberfläche erreicht wird. Die plasmagestützte CVD ermöglicht das Wachstum amorpher BN-Isolierschichten (mit einer Dielektrizitätskonstante von nur 1,16) bei niedrigen Temperaturen von 400 °C, während die thermische CVD für das epitaktische Wachstum großflächiger hexagonaler Bornitrid-Einkristalle (z. B. 4×4 cm^2 einlagiges h-BN auf Nickelsubstraten) eingesetzt wird, wobei eine Schichtdicke im Nanometerbereich und eine Reinheit von über 95 % erreicht wird. Die Industrialisierung wird jedoch durch die Kosten für die Anlagen und die Abscheidungsraten behindert.

Für die großtechnische Herstellung poröser BN-Materialien ist die Templat-Methode aufgrund ihres räumlichen Begrenzungseffekts am wichtigsten. Bei der Hard-Template-Methode wird mesoporöses Silizium/Kohlenstoff als Gerüst verwendet, gefolgt von einer Imprägnierung mit einer Borquelle (z. B. Borazid), einer Hochtemperaturpyrolyse (>800 °C) und einem Templat-Ätzen (HF-Lösung), um mesoporöses BN mit einheitlichen Porengrößen (2-50 nm) und einer spezifischen Oberfläche von >1000 m^2/g zu erhalten, das sich für Katalysatorträger und Gasadsorption eignet. Die Soft-Template-Methode ist zwar einfach in der Anwendung (sie beruht auf der Selbstmontage von Tensiden), aber aufgrund der geringen Ordnung der Produkte nur begrenzt einsetzbar.

Die Synthese von BN-Pulver in industrieller Qualität im Mikrometerbereich beruht hauptsächlich auf Hochtemperatur-Pyrolyseverfahren. Bei der Borax-Ammoniumchlorid-Methode werden die Rohstoffe bei 1200 °C in einer Ammoniak-Atmosphäre gesintert, was zwar Vorteile bei der kontinuierlichen Produktion bietet, aber zu hohen Verunreinigungsrückständen (einschließlich Kohlenstoff) führt; bei der Borax-Harnstoff-Methode erfolgt die Nitrierung bei 900-1100 °C mit anschließender Säurewäsche zur Reinigung, wodurch h-BN-Mikropulver mit einer Reinheit >95 %, das sich zum Standardverfahren für wärmeleitende Füllstoffe und Schmiermittel entwickelt hat. Die Methode mit organischen Vorläufern (wie z. B. die Zersetzung von Borazid) erzeugt zwar hochreines poröses BN (Reinheit > 97 %), ist aber aufgrund der hohen Rohstoffkosten auf hochwertige keramische Anwendungen beschränkt.

Die Herstellung von kubischem Bornitrid (c-BN) erfordert eine Hochdruck-Hochtemperatur-Technologie (HPHT), um die Phasenumwandlung voranzutreiben. Die katalysatorfreie Methode erfordert extreme Bedingungen (11-12 GPa, 1700°C). In der Industrie werden üblicherweise Alkalimetallnitride (Li3N usw.) als Katalysatoren verwendet, um den Druck auf 5 GPa und die Temperatur auf 1400 °C zu senken und c-BN-Körner (Härte 45-50 GPa) zu synthetisieren, die die Anforderungen für superharte Schleifmittel und Werkzeuge erfüllen. Neuere Plasmasynthesemethoden aktivieren N2-BH3-Gas bei 400-600°C, um c-BN-Dünnschichten abzuscheiden, ohne das Substrat thermisch zu schädigen, und sind für optische Beschichtungen geeignet.

Bahnbrechende Entwicklungen konzentrieren sich auf die präzise Strukturkontrolle, wie z. B. das schräge epitaktische Wachstum unter Verwendung von Substraten mit gebrochener Symmetrie (Ni(520) schräge Stufenoberflächen), um die ABC-Stapelung sequentiell zu verriegeln und erfolgreich 4×4 cm^2 rhomboedrische BN (rBN) Einkristallfilme herzustellen. Ihre Ferroelektrizität (Curie-Temperatur >600°C) eröffnet neue Wege für elektronische Geräte.

Methodenauswahl und Industrialisierungslogik

Anpassungsfähigkeit an die Anwendung: Die Borat-Harnstoff-Methode (kostengünstiges h-BN-Mikropulver) wird für Anwendungen im Bereich Wärmeleitfähigkeit/Schmierung bevorzugt; CVD-Filme werden für isolierende Halbleiterschichten verwendet; HPHT-synthetisiertes c-BN ist für superharte Werkzeuge unerlässlich; und rBN-Einkristalle, die mittels Edge-Tilted-Epitaxie gezüchtet werden, werden für Quantenbauelemente erforscht.

Technologische Entwicklung: Die derzeitige Forschung konzentriert sich auf Niedertemperaturprozesse (plasmaunterstützt), umweltfreundliche Prozesse (Niedrigenergie-Templates) und verbesserte Epitaxiepräzision, was den Einsatz von BN in fortschrittlichen elektronischen und Energiesystemen vorantreibt.

Abb. 4 Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Synthese von Nanoblättern aus hexagonalem Bornitrid

5 Praktische Anwendungen und jüngste Durchbrüche

5.1 Industrielle Anwendungen

Die Schichtstruktur von hexagonalem Bornitrid (h-BN) verleiht ihm einzigartige duale Eigenschaften mit starker Bindung in der Ebene und schwacher Wechselwirkung zwischen den Schichten. In Hochtemperaturgetrieben und Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt erreicht h-BN-Pulver durch Zwischenschichtgleiten einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (0,03-0,1). Sein sp2-Bindungsnetzwerk bleibt auch in einer oxidierenden Umgebung von 800 °C stabil und löst damit das Problem, dass herkömmliche Schmiermittel bei hohen Temperaturen versagen. Kubisches Bornitrid (c-BN) erreicht mit seinem diamantähnlichen dreidimensionalen sp3-Bindungsnetzwerk die zweithöchste Härte nach Diamant (45-50 GPa) und unterliegt bei der Bearbeitung von abgeschrecktem Stahl nicht der eisenkatalysierten Graphitisierung wie Diamant, was es zu einem unverzichtbaren Werkzeugmaterial für die Bearbeitung hochharter Legierungen macht. Im Bereich des 5G-Chip-Wärmemanagements werden h-BN-Flakes mit ihrer ultrahohen Wärmeleitfähigkeit in der Ebene (≈400 W/m-K) in eine Polymermatrix eingebettet, um anisotrope Wärmeleitbahnen zu bilden, die die lokalen Hotspot-Temperaturen um über 30 % reduzieren. Ihre isolierenden Eigenschaften mit breiter Bandlücke (~6 eV) verhindern auch Leckströme.

5.2 Rohmaterialien für elektronische Geräte

Die atomar flache Oberfläche und das Fehlen von baumelnden Bindungen in h-BN, einem Rohstoff für elektronische Geräte, machen es zu einem idealen dielektrischen Substrat für zweidimensionale elektronische Geräte. Wenn einlagiges Graphen auf h-BN aufgebracht wird, erhöht die abschirmende Wirkung seiner Schichtstruktur die Ladungsträgerbeweglichkeit auf 140.000 cm^2/(V-s), was einer Verzehnfachung gegenüber herkömmlichen SiO2-Substraten entspricht, da die Oberflächen-Ladungsfallendichte unter 10^10 cm^-2 liegt. c-BN hingegen nutzt seine 6,4 eV ultrabreite Bandlücke und seine indirekten Bandlückeneigenschaften, die das Lasern bei Raumtemperatur in tief ultravioletten Lasern (Wellenlänge <200 nm) ermöglichen. Die Bor-Vakanzdefekte in seinem dreidimensionalen Gitter können auch hochenergetische Teilchen einfangen und in elektrische Signalimpulse umwandeln, was den Bau von strahlenresistenten Detektoren mit einer 100-mal längeren Lebensdauer als Silizium-basierte Geräte für die Überwachung von Kernkraftwerken ermöglicht.

5.3 Aufkommende Anwendungen

In Kernreaktoren hat das Bor-10-Isotop h-BN einen Neutronenabsorptionsquerschnitt von bis zu 3.840 Targetev, und seine Schichtstruktur kann zu porösen keramischen Körpern verarbeitet werden, die thermische Neutronen bei hohen Temperaturen von 800°C effektiv einfangen können und gleichzeitig chemisch inert sind, um der Korrosion des Kühlmittels zu widerstehen. Im Bereich der Quantentechnologie emittieren die Bor-Vakanz-Farbzentren (VB-) im h-BN-Gitter stabile Einzelphotonen mit einer Quanteneffizienz von 85 %. Die Isolationsumgebung zwischen den Schichten verlängert die Dekohärenzzeit bis in den Millisekundenbereich und macht das Material zu einem Kandidaten für Quantenspeicher bei Raumtemperatur. In den Düsen von Raketentriebwerken erreichen h-BN-Beschichtungen einen doppelten Schutz durch eine Gradientenverdichtung: Der sp²-Ring auf der Oberfläche widersteht oxidierenden Flammenströmen von 3.000 °C, während das innere sp³-Bindungsnetzwerk die Hitzediffusion aus der Basislegierung blockiert und so die Lebensdauer der Düsen auf das Dreifache der herkömmlichen Siliziumkarbidbeschichtungen verlängert.

Abb. 5 Steuerstab eines Kernreaktors aus Bornitrid

6 Neue Entdeckungen und zukünftige Schwerpunktbereiche

6.1 Wichtige technische Herausforderungen und Lösungen

1. Schwierigkeiten bei der Züchtung großflächiger Einkristalle aus c-BN

Kubisches Bornitrid (c-BN) kann als ultraharter Werkstoff (mit einer Härte von 45-50 GPa) Diamant im Bereich der Schneidwerkzeuge ersetzen (insbesondere bei der Bearbeitung von Metallen der Eisengruppe, da es ohne Katalysator keine Graphitierung verursacht). Die Herstellung seiner Einkristalle stellt jedoch eine große Herausforderung dar:

Grenzflächenspannungen und Fragen der Phasenreinheit: Herkömmliche PVD/CVD-Methoden erfordern einen hochenergetischen Ionenbeschuss, um eine Phasenumwandlung herbeizuführen, was zu Mischphasen (hexagonales h-BN und kubisches c-BN nebeneinander) und Eigenspannungen innerhalb der Schicht führt. Außerdem enthält die Grenzfläche oft Übergangsschichten aus amorphem Bornitrid (a-BN) und ungeordneten Schichtstrukturen (t-BN), die die Kristallqualität beeinträchtigen.

Größenbeschränkungen: Hochdruck-Hochtemperatur-Methoden (HPHT) erfordern extreme Bedingungen (5-12 GPa, 1400-1700°C), mit denen hochreine c-BN-Körner erzeugt werden können, die aber nur schwer zu einem Einkristallwachstum im Wafermaßstab führen.

Bahnbrechende Richtungen:

Epitaxie-Züchtungstechnologie: Jüngste Studien haben gezeigt, dass säulenförmige epitaktische c-BN-Einkristallschichten auf Diamantsubstraten unter Vermeidung von Zwischenschichtdefekten gezüchtet werden können.

Plasma-unterstützte CVD: Die plasmaunterstützte CVD bei niedrigen Temperaturen (z.B. 350°C PECVD) steuert die Kristallinität durch Regulierung der Plasmabestrahlungszeit und bietet das Potenzial für großflächiges Wachstum.

2. Optimierung des Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit von Zwischenschichten in h-BN

Hexagonales Bornitrid (h-BN) weist eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 400 W/m-K in der Ebene auf, aber seine Wärmeleitfähigkeit zwischen den Schichten ist unzureichend, was seine Anwendung bei der vertikalen Wärmeableitung einschränkt. Zu den Hauptproblemen gehören:

Anisotrope Beschränkungen: Die Schichtstruktur von h-BN führt zu starken kovalenten Bindungen innerhalb der Ebene und schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Schichten, was die Wärmeübertragung zwischen den Schichten erschwert.

Topographie-abhängiges Wärmeleitfähigkeits-Verhalten: Flockenförmiges h-BN optimiert die horizontale Wärmeableitung, zur Verbesserung der Füllung in vertikaler Richtung sind jedoch kugelförmige Partikel erforderlich; der Herstellungsprozess für kugelförmiges h-BN ist jedoch komplex und kostspielig.

Daher konzentrieren sich die Optimierungsstrategien hauptsächlich auf die folgenden Aspekte:

• Gestaltung der Mikro-/Nanostruktur:
  • Plattenförmiges h-BN: Ultradünne Nanoblätter (Dicke < 10 nm) werden durch Exfoliation mit einer ionischen Flüssigkeit hergestellt, was die Effizienz des Phononentransports zwischen den Schichten erhöht und die Leistung der Wärmeleitpaste um 30 % verbessert.
  • Sphärisches h-BN: Durch Hochfrequenz-Plasmaaufdampfung werden kugelförmige Partikel synthetisiert, die hochgefüllte Verbundwerkstoffe ermöglichen, die für vertikale Wärmemanagementanwendungen wie die Batteriekühlung geeignet sind.
• Grenzflächentechnik: Orientierte Anordnung von h-BN-Nanoblättern in einer Polymermatrix, um anisotrope Wärmeleitpfade zu konstruieren, wie z. B. 5G-Chip-Wärmeableitungsfilme, die lokale Hotspot-Temperaturen um über 30 % reduzieren können.

3. Kostengünstige Großserienproduktion

Derzeit sind die Kosten für die Massenproduktion von BN-Materialien hoch, insbesondere für Hochleistungsformen (wie Nanoröhren und einkristalline Dünnschichten):

Wege zur Kostensenkung:

Ionic Liquid Stripping Technologie: Eine auf kostengünstigen ionischen Flüssigkeiten basierende Methode ermöglicht die Herstellung von h-BN-Nanoblättern in großem Maßstab (Ausbeute von 25 %), wobei die Kosten auf ein Drittel der Kosten herkömmlicher Methoden reduziert werden.

Verbrennungssynthese-Methode: Unter Verwendung von Borsäure-Harnstoff als Rohstoff wird h-BN-Mikropulver direkt bei 900-1100°C synthetisiert, wodurch die Abhängigkeit von hochreinen Gasen entfällt, und eignet sich für industrielle Schmiermittel und wärmeleitende Füllstoffe.

6.2 Durchbrüche in der Spitzenforschung und Richtungen

1. Van-der-Waals-Heteroübergang (h-BN/Graphen/Übergangsmetalldichalcogenid)

h-BN spielt eine zentrale Rolle als isolierende Schicht in zweidimensionalen Heteroübergängen:

Photodetektor-Innovation: Das Einfügen einer h-BN-Barriereschicht in einen Graphen/MoS₂-Heteroübergang unterdrückt den Dunkelstrom bis in den Picoampere-Bereich (0,07 pA), verbessert die Ansprechgeschwindigkeit um das 100-fache (0,3 s vs. 20 s) und verbessert den photogenerierten Ladungsträgertransport durch den FN-Tunneleffekt.

Regulierung des Quanteneffekts: Die Anordnung von fünf Graphenschichten mit h-BN bildet ein Moire-Übergitter, wodurch zum ersten Mal der"fraktionale anomale Quanten-Hall-Effekt" (FQAHE) in Graphen erreicht wird, der eine Plattform für topologische Quantencomputer mit Null-Magnetfeld darstellt.

Vorteile:

Die atomar flache Oberfläche von h-BN reduziert die Grenzflächenstreuung und erhöht die Ladungsträgerbeweglichkeit von Graphen auf 140.000 cm^2/(V-s)10.

Die breite Bandlückencharakteristik (~6 eV) blockiert Leckströme und erfüllt damit die Anforderungen von Hochfrequenzgeräten.

2. Bornitrid-Nanoröhrchen (BNNT)

BNNTs ersetzen die C-C-Bindungen in Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) durch B-N-Bindungen und kombinieren hohe Festigkeit mit Isolationseigenschaften:

Die mechanischen Eigenschaften übertreffen die der CNTs: Theoretische Berechnungen zeigen eine höhere Streckgrenze, eine stärkere Fehlertoleranz und die höchste Festigkeit unter den bekannten Isolierfasern.

Extreme Umweltstabilität: Sie behalten ihre strukturelle Stabilität in einer oxidierenden Umgebung von 1000°C und übertreffen damit die Oxidationsschwelle von CNTs (~400°C).

Anwendungsszenarien:

Verstärkungsphase in Verbundwerkstoffen: Sie werden in Polymermatrizen (z. B. Epoxidharz) eingefüllt, um die Hochtemperaturstabilität und Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, und in Komponenten für das Wärmemanagement von Raumfahrzeugen verwendet.

Material zur Neutronenabschirmung: Der Neutronenabsorptionsquerschnitt des Bor-10-Isotops erreicht 3.840 Target-Epsilon, geeignet für den Schutz von Kernreaktoren.

Abb. 6 Bornitrid-Nanoröhrchen

3. Quantenmaterialien auf der Basis von Bor-Stickstoff

Die dynamische Reversibilität von B-N-Bindungen bietet eine neue Dimension für die Entwicklung von Quantenmaterialien:

Quantenlichtquellen: Bor-Vakanzen (VB-) in h-BN emittieren stabile Einzelphotonen mit einer Quanteneffizienz von 85 % und einer Dekohärenzzeit im Millisekundenbereich, was die Grundlage für Quantenspeicher bei Raumtemperatur bildet.

Topologische Flachbandkontrolle: Rhombische BN (rBN)-Einkristalle erreichen Ferroelektrizität (Curie-Temperatur >600°C) durch schräges epitaktisches Wachstum und unterstützen flache Bänder hoher Ordnung, die das Potenzial haben, nicht-Abelsche Anionen zu erzeugen.

Kovalente B-N-Polymere: Die City University of Hong Kong hat einkristalline Polymere (z. B. CityU-15) unter Verwendung von B-N-Bindungen synthetisiert, die nach Joddotierung Ultra-Niedrigenergie-Bauelemente (3,3 fJ/Zyklus) für die Simulation künstlicher Netzhautsynapsen ergeben.

7 Schlussfolgerung

Bornitrid (BN) ist eine binäre Verbindung, die aus Bor- und Stickstoffatomen besteht. Es existiert hauptsächlich in allotropen Formen wie hexagonal (h-BN) und kubisch (c-BN). Die Schichtstruktur von h-BN verleiht ihm eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene (ca. 400 W/m-K) und Schmierfähigkeit bei hohen Temperaturen; die kubische Struktur von c-BN sorgt für superharte Eigenschaften (Härte von 45-50 GPa) und Halbleitereigenschaften mit breiter Bandlücke (Bandlücke von 6,4 eV). Zu den aktuellen Herausforderungen gehören die Schwierigkeit, großflächige Einkristalle aus c-BN zu züchten, die geringe Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschichten in h-BN und die hohen Kosten, die mit der Produktion in großem Maßstab verbunden sind. Die Spitzenforschung konzentriert sich auf van-der-Waals-Heterostrukturen (z. B. h-BN/Graphen), die mechanischen/neutronenabschirmenden Eigenschaften hexagonaler Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) und auf Bor-Stickstoff basierende Quantenmaterialien (z. B. Bor-Vakanz-Farbzentrum-Einzelphotonenquellen). Zukünftige Bemühungen sollten die Herstellungsprozesse optimieren (z. B. Plasmasynthese, Exfoliation mit ionischen Flüssigkeiten) und die Forschung zur Quantenkontrolle vertiefen, um ihre Anwendungen in der Elektronik, Kernenergie und Quantentechnologie voranzutreiben.

Als führender Anbieter von hochentwickelten Werkstoffen ist Stanford Advanced Materials bestrebt, hochwertige Bornitridprodukte und fachkundige Unterstützung anzubieten, um sowohl die Forschung als auch den industriellen Fortschritt zu fördern.

Weiterführende Lektüre:

Was ist das kugelförmige Bornitrid?

Keramik aus Bornitrid: Ein kugelsicheres Material

Was sind die Merkmale von hexagonalem Bornitrid?