Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe fase ontdekt van het materiaal boornitride (Q-BN), die potentiële toepassingen heeft voor zowel productietools als elektronische displays. De onderzoekers hebben ook een nieuwe techniek ontwikkeld om kubisch boornitride (c-BN) te maken bij omgevingstemperaturen en luchtdruk, die een reeks toepassingen heeft, met inbegrip van de ontwikkeling van geavanceerde technologieën voor het elektriciteitsnet.

"Dit is een vervolg op onze ontdekking van Q-carbon en het omzetten van Q-carbon in diamant, " zegt Jay Narayan, de John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering bij NC State en hoofdauteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven. "We hebben de limieten van de thermodynamica van boornitride omzeild met behulp van kinetiek en tijdcontrole om deze nieuwe fase van boornitride te creëren.

"We hebben ook een snellere, goedkopere manier om c-BN te maken, het materiaal meer levensvatbaar maken voor toepassingen zoals high-power elektronica, transistors en solid-state apparaten, " zegt Narayan. "C-BN nanonaalden en micronaalden, die kunnen worden gemaakt met behulp van onze techniek, hebben ook potentieel voor gebruik in biomedische apparaten." C-BN is een vorm van boornitride met een kubische kristallijne structuur, analoog aan diamant.

Vroege tests geven aan dat Q-BN harder is dan diamant, en het heeft een voordeel ten opzichte van diamant als het gaat om het maken van snijgereedschappen. Diamant, zoals alle koolstof, reageert met ijzer en ijzerhoudende materialen. Q-BN niet. De Q-BN heeft een amorfe structuur, en het kan gemakkelijk worden gebruikt om snijgereedschappen te coaten, voorkomen dat ze reageren met ijzerhoudende materialen.

"We hebben ook diamant/c-BN kristallijne composieten gemaakt voor de volgende generatie hogesnelheidsbewerkingen en diepzeeboortoepassingen, " zegt Narayan. "Specifiek, we hebben diamant op c-BN laten groeien door gebruik te maken van gepulseerde laserdepositie van koolstof bij 500 graden Celsius zonder de aanwezigheid van waterstof, het creëren van c-BN en diamant epitaxiale composieten."

De Q-BN heeft ook een lage werkfunctie en negatieve elektronenaffiniteit, wat in feite betekent dat het gloeit in het donker wanneer het wordt blootgesteld aan zeer lage niveaus van elektrische velden. Deze eigenschappen maken het een veelbelovend materiaal voor energiezuinige displaytechnologieën.

Om Q-BN te maken, onderzoekers beginnen met een laag thermodynamisch stabiel hexagonaal boornitride (h-BN), die tot 500-1000 nanometer dik kan zijn. Het materiaal wordt op een substraat geplaatst en onderzoekers gebruiken vervolgens krachtige laserpulsen om de h-BN snel te verwarmen tot 2, 800 graden Kelvin, of 4, 580 graden Fahrenheit. Het materiaal wordt dan geblust, een ondergrond gebruiken die de warmte snel opneemt. Het hele proces duurt ongeveer een vijfde van een microseconde en wordt uitgevoerd bij omgevingsluchtdruk.

Door het zaaisubstraat onder het materiaal te manipuleren en de tijd die nodig is om het materiaal af te koelen, onderzoekers kunnen controleren of het h-BN wordt omgezet in Q-BN of c-BN. Deze zelfde variabelen kunnen worden gebruikt om te bepalen of de c-BN zich vormt tot micronaalden, nanonaalden, nanopunten, microkristallen of een film.

"Door deze techniek te gebruiken, we zijn in staat om in één seconde een film van 100 tot 200 vierkante inch van Q-BN of c-BN te maken, ' zegt Narayan.

Ter vergelijking, eerdere technieken voor het maken van c-BN vereisten verwarming van hexagonaal boornitride tot 3, 500 graden Kelvin (5, 840 graden Fahrenheit) en 95 toe te passen, 000 atmosfeer druk.

C-BN heeft vergelijkbare eigenschappen als diamant, maar heeft verschillende voordelen ten opzichte van diamant:c-BN heeft een hogere bandgap, wat aantrekkelijk is voor gebruik in apparaten met een hoog vermogen; c-BN kan worden "gedoteerd" om het positief en negatief geladen lagen te geven, wat betekent dat het kan worden gebruikt om transistors te maken; en het vormt een stabiele oxidelaag op het oppervlak bij blootstelling aan zuurstof, waardoor het stabiel is bij hoge temperaturen. Dit laatste kenmerk betekent dat het kan worden gebruikt om solid-state apparaten en beschermende coatings te maken voor hogesnelheidsbewerkingsgereedschappen die worden gebruikt in omgevingen met zuurstof.

"We zijn optimistisch dat onze ontdekking zal worden gebruikt om c-BN-gebaseerde transistors en krachtige apparaten te ontwikkelen om omvangrijke transformatoren te vervangen en te helpen bij het creëren van de volgende generatie van het elektriciteitsnet, ' zegt Narayan.