Atomiquement mince, Le nitrure de bore hexagonal 2-D (h-BN) est un matériau prometteur dont la capacité protéiforme à subir des transformations de phase à forte, ultra léger, chimiquement stable, les films résistants à l'oxydation les rendent idéaux pour les revêtements de protection, applications thermiques des nanotechnologies, émetteurs de lumière UV profond, et beaucoup plus.

Les possibilités offertes par les différents polytypes de h-BN incluent la phase diamant ultra-dur, une structure cubique (c-BN) avec une résistance et une dureté inférieures aux véritables diamants en carbone. La clé de la fabrication de tels matériaux est la capacité d'induire et de contrôler la transformation entre leurs différentes phases cristallines, d'une manière suffisamment efficace et rentable pour permettre des économies d'échelle.

Alors que la synthèse de tels matériaux dans leurs configurations « en vrac » ou 3D nécessite une pression et une chaleur immenses, des chercheurs de la NYU Tandon School of Engineering ont découvert que le h-BN est en couches, Les feuilles 2-D fines en molécules peuvent effectuer une transition de phase vers le c-BN à température ambiante.

Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par Elisa Riedo, Professeur de génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon, et en collaboration avec Rémi Dingreville au Center for Nanotechnologies at Sandia National Laboratories, réalisé des expériences et des simulations à l'aide d'une pointe nanoscopique compressant de manière atomique, Des couches 2-D h-BN pour révéler comment ces transitions de phase à température ambiante se produisent et comment les optimiser, en partie en faisant varier le nombre de couches dans le film mince de h-BN.

La recherche, "Formation induite par la pression et propriétés mécaniques du nitrure de bore diamant 2-D, " dont les auteurs incluent Angelo Bongiorno, professeur de chimie à la City University de New York; Philippe Cellini, ancien post-doctorant au PicoForce Lab de Riedo à NYU Tandon; Elton Chen de Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, un professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon; et Francesco Lavini et Filip Popovic, doctorat étudiants du laboratoire de Riedo, apparaît comme l'histoire de couverture dans le Volume 8, Numéro 2 de la revue Sciences avancées .

"Quand BN est en phase diamant, la dureté et la rigidité augmentent considérablement, et est, En réalité, presque aussi dur qu'un diamant de carbone traditionnel avec une stabilité thermique et chimique améliorée, " dit Riedo, "Mais il ne peut normalement pas être trouvé dans la nature. La formation de nitrure de bore cubique doit être effectuée dans un laboratoire. Nous avons donc entrepris d'explorer la physique et la compréhension de la transition de phase du nitrure de bore hexagonal au cubique dans le cas particulier des films qui sont atomiquement mince."

Lavini a expliqué que le travail impliquait l'application d'une pression sur des films de h-BN atomiquement minces avec un nombre de couches atomiques de un à dix, à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). Pour tester l'étendue de la transition de phase de la structure cristalline hexagonale à cubique, la sonde à pointe nanoscopique AFM applique simultanément une pression et mesure l'élasticité du matériau.

"Un degré élevé de rigidité démontre la transition de phase vers la structure cristalline du diamant. Ceci est essentiel car il n'était pas clair avant que cette transition de phase puisse même se produire à température ambiante, " expliqua-t-il. " Parce que toute la physique des transitions de phase est différente dans un " univers " 2D, nous découvrons et redéfinissons certaines règles fondamentales des matériaux. Dans cet état, par exemple, la barrière énergétique pour passer de la phase hexagonale à la phase cubique est beaucoup plus petite."

Les expériences et les simulations ont également révélé l'épaisseur optimale pour réaliser la transition vers le c-BN :les chercheurs n'ont observé aucune transformation de phase dans les films monocouches de h-BN, tandis que les films bi-couche et tri-couche ont montré une augmentation de 50% de la rigidité lorsque la pression était appliquée par la pointe nanoscopique, un proxy pour la transition de phase h-BN-à-c-BN. Au-dessus de trois couches, les chercheurs ont observé une diminution du degré de transition de phase du diamant.

Grâce à des simulations décrites dans l'étude, les collaborateurs ont également découvert une hétérogénéité dans la transition de phase :au lieu d'un changement spontané en c-BN se produisant uniformément sous pression, ils ont découvert que les diamants se formaient en grappes, et élargi. Ils ont également observé que plus le nombre de couches de h-BN est grand, plus le nombre de grappes de diamants est petit.

Riedo a expliqué que les avantages des diamants BN 2-D par rapport au diamant carbone 2-D (également connu sous le nom de diamène) sont l'adaptabilité et les économies potentielles de fabrication. "Récemment, nous avons découvert qu'il est possible d'induire la formation de diamene à partir de graphène, cependant, des types spécifiques de substrats ou de produits chimiques sont requis, tandis que le h-BN peut former des diamants sur n'importe quel substrat dans l'atmosphère ambiante. En général, c'est vraiment excitant la découverte de nouvelles propriétés exceptionnelles dans les phases diamantées induites par la pression dans les matériaux 2D", a-t-elle déclaré.

Riedo a déclaré que la prochaine phase se tournerait vers la recherche appliquée, avec des expériences à plus grande échelle sur la résistance mécanique pour des applications spécifiques.