atomair dun, 2-D hexagonaal boornitride (h-BN) is een veelbelovend materiaal waarvan het eiwitvermogen om fasetransformaties te ondergaan tot sterk, super lichtgewicht, chemisch stabiel, oxidatiebestendige films maken ze ideaal voor beschermende coatings, nanotechnologie thermische toepassingen, diep-uv lichtemitters, en nog veel meer.

De mogelijkheden belichaamd in verschillende polytypes van h-BN omvatten de ultraharde diamantfase, een kubische structuur (c-BN) met sterkte en hardheid die op de tweede plaats komt na echte koolstofdiamanten. De sleutel tot het fabriceren van dergelijke materialen is het vermogen om de transformatie tussen hun verschillende kristallijne fasen te induceren en te beheersen, op een manier die efficiënt en kosteneffectief genoeg is om schaalvoordelen mogelijk te maken.

Terwijl het synthetiseren van dergelijke materialen in hun 'bulk' of 3D-configuraties enorme druk en hitte vereist, onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering hebben ontdekt dat h-BN in gelaagde, molecuuldunne 2D-platen kunnen bij kamertemperatuur een faseovergang naar c-BN uitvoeren.

In een nieuwe studie, een team onder leiding van Elisa Riedo, Hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de NYU Tandon, en in samenwerking met Remi Dingreville van het Center for Nanotechnologies van Sandia National Laboratories, produceerde experimenten en simulaties met behulp van een nanoscopische tip die atomair dun comprimeert, 2-D h-BN-lagen om te laten zien hoe deze fase-overgangen bij kamertemperatuur plaatsvinden en hoe ze te optimaliseren, deels door het aantal lagen in de h-BN dunne film te variëren.

Het onderzoek, "Druk-geïnduceerde vorming en mechanische eigenschappen van 2-D diamantboornitride, wiens auteurs onder meer Angelo Bongiorno zijn, hoogleraar scheikunde aan de City University van New York; Filippo Cellini, voormalig postdoc in Riedo's PicoForce Lab aan de NYU Tandon; Elton Chen van Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de NYU Tandon; en Francesco Lavini en Filip Popovic, doctoraat studenten in Riedo's lab, verschijnt als de cover story in Volume 8, Nummer 2 van het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

"Als BN zich in de diamantfase bevindt, hardheid en stijfheid nemen dramatisch toe, en is, in feite, bijna net zo hard als een traditionele koolstofdiamant met een verbeterde thermische en chemische stabiliteit, " zei Riedo, "Maar het kan normaal gesproken niet in de natuur worden gevonden. De vorming van kubisch boornitride moet in een laboratorium worden uitgevoerd. Dus gingen we op zoek naar de fysica en het begrip van faseovergang van hexagonaal naar kubisch boornitride in het speciale geval van films die atomair zijn dun."

Lavini legde uit dat het werk inhield dat er druk werd uitgeoefend op atomair dunne h-BN-films met een aantal atomaire lagen van één tot tien, met behulp van een atoomkrachtmicroscoop (AFM). Om de omvang van de faseovergang van hexagonale naar kubische kristallijne structuur te testen, de AFM-sonde met nanoscopische punt oefent tegelijkertijd druk uit en meet de materiaalelasticiteit.

"Een hoge mate van stijfheid demonstreert de faseovergang naar diamantkristalstructuur. Dit is van cruciaal belang omdat het niet duidelijk was voordat die faseovergang zelfs bij kamertemperatuur kon plaatsvinden, " legde hij uit. "Omdat de hele fysica van faseovergangen anders is in een 2-D 'universum', ontdekken en herdefiniëren we enkele fundamentele materiaalregels. In deze staat, bijvoorbeeld, de energiebarrière voor het transformeren van zeshoekige naar kubische fase is veel kleiner."

De experimenten en simulaties onthulden ook de optimale dikte om de overgang naar c-BN te bereiken:de onderzoekers observeerden geen enkele fasetransformatie in monolaagse h-BN-films, terwijl tweelagige en drielagige films 50% toename in stijfheid vertoonden wanneer druk werd uitgeoefend door de nanoscopische punt, een proxy voor de h-BN-naar-c-BN-faseovergang. Boven drie lagen, de onderzoekers observeerden een afnemende mate van diamantfase-overgang.

Door simulaties - beschreven in het onderzoek - ontdekten de medewerkers ook heterogeniteit in de faseovergang:in plaats van een spontane verandering naar c-BN die gelijkmatig onder druk plaatsvond, ze ontdekten dat diamanten gevormd in clusters, en uitgebreid. Ze merkten ook op dat hoe groter het aantal lagen h-BN, hoe kleiner het aantal diamantclusters.

Riedo legde uit dat de voordelen van 2-D BN-diamanten ten opzichte van 2-D-koolstofdiamant (ook bekend als diameen) het aanpassingsvermogen en potentiële fabricagekosten zijn. "Onlangs ontdekten we dat het mogelijk is om diameenvorming uit grafeen te induceren, echter, specifieke soorten substraten of chemicaliën nodig zijn, terwijl h-BN diamanten kan vormen op elk substraat in de omgevingsatmosfeer. In het algemeen, het is echt opwindend de ontdekking van uitzonderlijke nieuwe eigenschappen in drukgeïnduceerde diamantfasen in 2D-materialen", zei ze.

Riedo zei dat de volgende fase zich zal richten op toegepast onderzoek, met meer grootschalige experimenten op mechanische weerstand voor specifieke toepassingen.