Hexagonales Bornitrid (h-BN): Struktur, Eigenschaften und Anwendungen

Einleitung

Bornitrid (BN) existiert in verschiedenen kristallinen Formen, darunter kubische (c-BN), hexagonale (h-BN) und amorphe Phasen. Von diesen hat hexagonales Bornitrid aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit Graphit und seiner Kombination aus thermischer Stabilität, elektrischer Isolierung und chemischer Inertheit die meiste Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Das oft als "weißer Graphit" bezeichnete h-BN findet heute breite Anwendung in der Mikroelektronik, der Hochtemperaturtechnik und bei modernen Verbundwerkstoffen.

Struktur und intrinsische Eigenschaften

Hexagonales Bornitrid weist ein schichtförmiges hexagonales Gitter mit einer ABAB-Stapelkonfiguration auf. Jede Schicht besteht aus abwechselnden Bor- und Stickstoffatomen, die durch starke kovalente Bindungen in der Ebene verbunden sind. Die Wechselwirkung zwischen den Schichten, die durch van der Waals-Kräfte bestimmt wird, macht das Material mechanisch anisotrop - in der Ebene steif und außerhalb der Ebene leicht spaltbar.

Während h-BN und Graphit eine ähnliche Gittergeometrie aufweisen, unterscheiden sich ihre elektronischen Strukturen grundlegend. Graphit ist aufgrund der delokalisierten π-Elektronen leitfähig, während h-BN mit seinen ionischen B-N-Bindungen ein Isolator mit großer Bandlücke (~5,9 eV) ist.

Wichtigste Eigenschaften:

• Kristallstruktur: Hexagonal

• Gitterparameter: a ≈ 2,50 Å, c ≈ 6,66 Å

• Zwischenschicht-Abstand: ~3.33 Å

• Bandlücke: ~5,9 eV (indirekt)

• Dichte: ~2,1 g/cm^3

Verwandter Artikel: Was sind die Merkmale von hexagonalem Bornitrid?

Thermophysikalische und chemische Eigenschaften

h-BN weist eine einzigartige Kombination aus Wärmeleitfähigkeit, thermischer Stabilität und chemischer Beständigkeit auf:

• Thermische Leitfähigkeit: Bis zu 200-400 W/m-K in der Ebene; deutlich niedriger außerhalb der Ebene.

• Thermische Ausdehnung: Anisotrop; ~2 × 10^-6 K^-1 in der Ebene, höher außerhalb der Ebene.

• Chemische Stabilität: Inert gegenüber den meisten Säuren und Basen und stabil in Luft bis zu ~1000 °C.

• Schmiereigenschaften: Geringer Reibungskoeffizient, stabil im Vakuum und in oxidierenden Umgebungen.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich h-BN für anspruchsvolle Umgebungen, in denen Hitze, Oxidation und Abnutzung aufeinandertreffen.

Synthesetechniken

Die Art der Synthese von hexagonalem Bornitrid (h-BN) bestimmt direkt die strukturelle Qualität, die laterale Größe, die Dickensteuerung und die Defektdichte, die alle die Eignung für elektronische, thermische und mechanische Anwendungen beeinflussen. Generell lassen sich die Synthesemethoden in Top-Down-Exfoliationsstrategien und Bottom-Up-Chemiewachstumsverfahren einteilen.

Top-Down-Methoden

Bei diesen Verfahren wird von der h-BN-Masse ausgegangen und diese in dünnere Flocken oder wenige Schichten zerlegt.

Mechanische Exfoliation
Bei dieser Methode, die oft als "Scotch-Tape"-Technik bezeichnet wird, werden Schichten von einem h-BN-Kristall mit Hilfe von Klebematerialien abgeschält. Der Vorteil liegt in der hohen Kristallinität und der geringen Defektdichte der entstehenden Flocken, die sich ideal für Grundlagenstudien oder leistungsstarke 2D-Bauteile eignen. Das Verfahren ist jedoch manuell, zeitaufwändig und von Natur aus wenig ergiebig, so dass es sich nicht für die großtechnische oder kommerzielle Produktion eignet.

Flüssig-Phasen-Exfoliation (LPE)
Beim LPE-Verfahren wird die h-BN-Masse durch Ultraschall oder Mischen mit hoher Scherkraft in geeigneten Lösungsmitteln (z. B. N-Methyl-2-Pyrrolidon, Isopropanol oder wässrige Tensidlösungen) in Nanoblätter mit wenigen Schichten aufgelöst. Dieses Verfahren bietet einen höheren Durchsatz als das mechanische Exfolieren und ist auf Gramm-Niveau oder mehr skalierbar. Der Prozess führt jedoch häufig zu strukturellen Defekten, Randoxidation oder Schichtfragmentierung, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen können. Nach der Exfoliation wird in der Regel eine Zentrifugation durchgeführt, um Flocken mit der gewünschten Dicke und Größenverteilung auszuwählen.

Herausforderungen bei Top-Down-Methoden:

• Die Kontrolle über die seitlichen Abmessungen und die Dicke bleibt begrenzt.

• Es ist schwierig, Tenside oder Lösungsmittel vollständig zu entfernen.

• Hohe Defektdichten in LPE können die thermische und elektronische Leistung einschränken.

Bottom-Up-Methoden

Bottom-up-Verfahren ermöglichen eine Kontrolle des Schichtwachstums auf atomarer Ebene und werden bevorzugt, wenn Gleichmäßigkeit, Dickenpräzision und Integration entscheidend sind.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
CVD ist die vielversprechendste Methode für die Wafer-Synthese von h-BN in wenigen Schichten oder Monolagen. Gängige Ausgangsstoffe sind:

• Ammoniak-Boran (NH3-BH3): Erzeugt BN durch thermische Zersetzung.

• Borazin (B3N3H6): Eine zyklische Verbindung, bei der die B-N-Bindungen bereits vorhanden sind, was zu einer höheren Kristallinität führt.

• B-Trichlorborazin (B3N3Cl3) und Mischungen aus Diboran und Ammoniak wurden ebenfalls erforscht.

Das Wachstum erfolgt in der Regel auf Übergangsmetallsubstraten wie Kupfer-, Nickel- oder Eisenfolien bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1100 °C. Der Substrattyp wirkt sich auf die Keimbildungsdichte, die Korngröße und die Ausrichtung aus. Transferprozesse sind erforderlich, wenn h-BN auf isolierenden oder Halbleiteroberflächen integriert werden soll.

Schlüsselparameter, die die CVD-Qualität beeinflussen:

• Durchflussrate und Reinheit des Precursors

• Kammerdruck (CVD bei niedrigem Druck führt zu größeren Domänen)

• Kristallinität und Ausrichtung des Substrats

• Abkühlungsrate nach dem Wachstum (beeinflusst die Korngrenzenbildung)

Aus Polymeren abgeleitete Keramik (PDCs)
Bei der PDC-Synthese werden bor- und stickstoffhaltige Polymervorläufer wie Polyborazylen oder Poly[B-trichloroborazin] pyrolysiert. Unter einer kontrollierten Atmosphäre (häufig Ammoniak oder Stickstoff) zerfallen diese Vorläufer in Bornitridkeramik. Diese Methode eignet sich für die Herstellung von massiven oder geformten h-BN-Komponenten wie Tiegeln, Isolatoren oder Beschichtungen. Das Verfahren ermöglicht die Integration von Faserverstärkungen oder porösen Gerüsten und ist damit ideal für strukturelle Verbundwerkstoffe.

Vorteile von PDC:

• Präzise stöchiometrische Kontrolle

• Individuelle Formgebung vor der Pyrolyse

• Möglichkeit zur Herstellung dichter, nicht poröser Keramik für mechanische und thermische Anwendungen

Zusammenfassung und Gegenleistungen

Anwendungsbereiche

Elektronik und Isolationssysteme
Als atomar flacher Isolator mit hoher Durchschlagsfestigkeit wird h-BN in 2D-Elektronikbauteilen häufig als Gate-Dielektrikum, Substrat oder Verkapselungsschicht verwendet, insbesondere für Graphen- und TMD-Heterostrukturen.

Hochtemperatur-Komponenten
Aufgrund seiner Temperaturwechselbeständigkeit und Inertheit wird h-BN in Ofenkomponenten, Tiegeln und Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Wärmeschutzsystemen eingesetzt.

Festschmierstoffe und Beschichtungen
h-BN behält seine Schmierfähigkeit auch bei hohen Temperaturen und an der Luft bei und bietet damit Vorteile gegenüber Graphit in oxidativen Umgebungen, wie z. B. bei der Metallumformung und bei Baugruppen in der Luft- und Raumfahrt.

Polymere und keramische Verbundwerkstoffe
Die Einarbeitung von h-BN in Polymere oder Keramiken verbessert die Wärmeleitfähigkeit und die Dimensionsstabilität, während die elektrische Isolierung erhalten bleibt. Typische Anwendungen sind thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs) und strukturelle Isolatoren.

Photonik und UV-Optik
Die hohe optische Transparenz von h-BN im UV und sein Phonon-Polariton-Verhalten sind vielversprechend für die Photonik im tiefen UV-Bereich und für nichtlineare optische Anwendungen.

6. Schlussfolgerung

Hexagonales Bornitrid bietet eine seltene Kombination aus breiter Bandlücke, hoher Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneter chemischer Beständigkeit. Seine anisotrope Struktur und seine Kompatibilität mit anderen 2D-Materialien machen es zu einem wesentlichen Baustein für die nächste Generation von Elektronik, Optik und thermischen Systemen. Laufende Forschungsarbeiten erweitern seine Integration in:

• Skalierbare CVD-basierte 2D-Materialplattformen

• Hochleistungsverbundwerkstoffe mit technischen Grenzflächen

• Optische Geräte, die ihre hyperbolische Phononendispersion nutzen

Bei Stanford Advanced Materials (SAM) liefern wir hochreine h-BN-Pulver, Beschichtungen und gesinterte Formen, die für industrielle und Forschungsanwendungen maßgeschneidert sind. Wenden Sie sich an unser technisches Team, um zu erfahren, wie unsere Bornitrid-Materialien in Ihr nächstes Projekt passen könnten.