Micrographie électronique à balayage de nanoaiguilles et microaiguilles c-BN jusqu'à trois microns de longueur. Crédit :Anagh Bhaumik
Des chercheurs de la North Carolina State University ont découvert une nouvelle phase du matériau nitrure de bore (Q-BN), qui a des applications potentielles pour les outils de fabrication et les écrans électroniques. Les chercheurs ont également développé une nouvelle technique pour créer du nitrure de bore cubique (c-BN) à température ambiante et à pression atmosphérique, qui a une suite d'applications, y compris le développement de technologies avancées de réseau électrique.
"C'est la suite de notre découverte de Q-carbone et de la conversion de Q-carbone en diamant, " dit Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering à NC State et auteur principal d'un article décrivant la recherche. "Nous avons contourné ce que l'on pensait être les limites de la thermodynamique du nitrure de bore à l'aide de la cinétique et du contrôle du temps pour créer cette nouvelle phase de nitrure de bore.
"Nous avons également développé un système plus rapide, moyen moins coûteux de créer c-BN, rendre le matériau plus viable pour des applications telles que l'électronique haute puissance, transistors et dispositifs à semi-conducteurs, ", dit Narayan. "Nanoaiguilles et microaiguilles C-BN, qui peut être réalisé selon notre technique, ont également un potentiel d'utilisation dans les dispositifs biomédicaux." Le C-BN est une forme de nitrure de bore qui a une structure cristalline cubique, analogue au diamant.
Les premiers tests indiquent que le Q-BN est plus dur que le diamant, et il a un avantage sur le diamant lorsqu'il s'agit de créer des outils de coupe. Diamant, comme tout le carbone, réagit avec le fer et les matériaux ferreux. Q-BN ne le fait pas. Le Q-BN a une structure amorphe, et il peut facilement être utilisé pour enduire les outils de coupe, les empêchant de réagir avec les matériaux ferreux.
Nanocristallites de nitrure de bore cubique. Crédit :Anagh Bhaumik
« Nous avons également créé des composites cristallins diamant/c-BN pour les applications d'usinage à grande vitesse et de forage en haute mer de nouvelle génération, " dit Narayan. " Plus précisément, nous avons fait pousser du diamant sur c-BN en utilisant un dépôt laser pulsé de carbone à 500 degrés Celsius sans présence d'hydrogène, la création de composites épitaxiaux c-BN et diamant."
Le Q-BN a également un faible travail de sortie et une affinité électronique négative, ce qui signifie effectivement qu'il brille dans le noir lorsqu'il est exposé à de très faibles niveaux de champs électriques. Ces caractéristiques en font un matériau prometteur pour les technologies d'affichage économes en énergie.
Pour faire Q-BN, les chercheurs commencent avec une couche de nitrure de bore hexagonal thermodynamiquement stable (h-BN), qui peut mesurer jusqu'à 500-1000 nanomètres d'épaisseur. Le matériau est placé sur un substrat et les chercheurs utilisent ensuite des impulsions laser de haute puissance pour chauffer rapidement le h-BN à 2, 800 degrés Kelvin, ou 4, 580 degrés Fahrenheit. Le matériau est ensuite trempé, en utilisant un substrat qui absorbe rapidement la chaleur. L'ensemble du processus prend environ un cinquième de microseconde et se fait à la pression de l'air ambiant.
En manipulant le substrat de semis sous le matériau et le temps de refroidissement du matériau, les chercheurs peuvent contrôler si le h-BN est converti en Q-BN ou en c-BN. Ces mêmes variables peuvent être utilisées pour déterminer si le c-BN se forme en microaiguilles, nanoaiguilles, nanopoints, microcristaux ou un film.
« En utilisant cette technique, nous sommes capables de créer jusqu'à un film de 100 à 200 pouces carrés de Q-BN ou c-BN en une seconde, " dit Narayan.
Par comparaison, les techniques précédentes pour créer du c-BN nécessitaient de chauffer le nitrure de bore hexagonal à 3, 500 degrés Kelvin (5, 840 degrés Fahrenheit) et en appliquant 95, 000 atmosphères de pression.
Le C-BN a des propriétés similaires au diamant, mais présente plusieurs avantages par rapport au diamant :le c-BN a une bande interdite plus élevée, ce qui est attrayant pour une utilisation dans des appareils à haute puissance ; le c-BN peut être "dopé" pour lui donner des couches chargées positivement et négativement, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé pour fabriquer des transistors; et il forme une couche d'oxyde stable à sa surface lorsqu'il est exposé à l'oxygène, le rendant stable à haute température. Cette dernière caractéristique signifie qu'il pourrait être utilisé pour fabriquer des dispositifs à semi-conducteurs et des revêtements protecteurs pour les outils d'usinage à grande vitesse utilisés dans des environnements à atmosphère d'oxygène.
"Nous sommes optimistes que notre découverte sera utilisée pour développer des transistors à base de c-BN et des dispositifs haute puissance pour remplacer les transformateurs encombrants et aider à créer la prochaine génération du réseau électrique, " dit Narayan.
