So wie Kohlenstoff sowohl den spröden Kern eines Bleistifts Nr. 2 als auch den Diamanten, der härter als Stahl ist, in einem Schneidwerkzeug ausmacht, entstehen aus Bornitrid Verbindungen, die weich oder hart sein können. Doch im Gegensatz zu Kohlenstoff ist über die Formen von Bornitrid und seine Reaktionen auf sich ändernde Temperaturen und Drücke weitaus weniger bekannt.
Wissenschaftler der Rice University mischten hexagonales Bornitrid – eine weiche Sorte, die auch als „weißer Graphit“ bekannt ist – mit kubischem Bornitrid – einem Material, das in der Härte zweitgrößter Diamant ist – und stellten fest, dass das resultierende Nanokomposit auf unerwartete Weise mit Licht und Wärme interagierte, was nützlich sein könnte in Mikrochips der nächsten Generation, Quantengeräten und anderen fortschrittlichen Technologieanwendungen.
„Hexagonales Bornitrid wird häufig in einer Vielzahl von Produkten wie Beschichtungen, Schmiermitteln und Kosmetika verwendet“, sagte Abhijit Biswas, ein Forschungswissenschaftler und Hauptautor einer Studie über die Forschung, die in veröffentlicht wurde Nano-Buchstaben. „Es ist ziemlich weich und ein tolles Gleitmittel und sehr leicht. Es ist außerdem günstig und bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck sehr stabil.“
„Kubisches Bornitrid ist auch ein sehr interessantes Material mit Eigenschaften, die es für den Einsatz in der Elektronik sehr vielversprechend machen. Im Gegensatz zu hexagonalem Bornitrid ist es superhart – tatsächlich kommt es der Härte von Diamant nahe.“
Der Verbundstoff aus diesen beiden scheinbar gegensätzlichen Materialien übertraf seine Ausgangsmaterialien in verschiedenen Funktionalitäten.
„Wir fanden heraus, dass der Verbundwerkstoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit hatte, was bedeutet, dass er beispielsweise als wärmeisolierendes Material in elektronischen Geräten dienen könnte“, sagte Biswas. „Die thermischen und optischen Eigenschaften des Mischmaterials unterscheiden sich stark vom Durchschnitt der beiden Bornitrid-Varianten.“
Hanyu Zhu, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte, er erwarte, dass „die optische Eigenschaft, die wir messen und als Erzeugung der zweiten Harmonischen bezeichnet wird, für diese Art von ungeordnetem Material gering sein würde.“
„Aber nach dem Erhitzen ist es tatsächlich ziemlich groß, eine Größenordnung mehr als sowohl das einzelne Material als auch die unbehandelte Mischung“, sagte Zhu, Inhaber des William Marsh Rice Chair und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik.
Er sagte, dass die Bor- und Stickstoffatome im Verbundwerkstoff eine größere Regelmäßigkeit aufwiesen und größere Körner bildeten, wobei ein Korn die Größe einer Gruppe von Atomen bezeichnet, die kohärent in einem Gitter angeordnet sind.
„Wir waren überrascht, dass die kubischen Bornitridkörner in diesem Material aus den kleinen Körnern in den ungemischten Ausgangsverbindungen wachsen statt kleiner werden“, sagte er.
Theoretische Vorhersagen und experimentelle Ergebnisse führten zu konkurrierenden Behauptungen darüber, welche der beiden Bornitrid-Varianten stabiler sei:
„Einige Theoretiker sagen, dass kubisches Bornitrid bei Umgebungsbedingungen stabiler ist“, sagte Biswas. „Experimentell haben die Leute gesehen, dass hexagonales Bornitrid sehr stabil ist. Wenn man also jemanden fragt, welche Bornitridphase am stabilsten ist, wird er wahrscheinlich hexagonales Bornitrid sagen. Was wir experimentell sehen, ist das Gegenteil von dem, was die Leute sehen.“ Theoretisch gesehen ist das nicht zu sagen, und es steht immer noch zur Debatte.“
Als der Verbundwerkstoff einer schnellen Hochtemperaturtechnik namens Spark-Plasma-Sintern unterzogen wurde, wandelte er sich in hexagonales Bornitrid um. Biswas sagte, dies bestätige theoretische Vorhersagen und helfe dabei, ein umfassenderes Bild davon zu zeichnen, „welche Arten von Bornitriden unter welchen Bedingungen auftreten“.
Darüber hinaus war das nach dieser Behandlung erhaltene hexagonale Bornitrid von höherer Qualität als das ursprünglich für die Mischung verwendete.
„Als nächstes schauen wir uns an, ob die Spark-Plasma-Sintertechnik allein die Qualität von hexagonalem Bornitrid verbessert, oder ob man den Verbundstoff braucht, um diesen Effekt zu erzielen“, sagte Biswas.
„Das Faszinierende an dieser Studie ist, dass sie Möglichkeiten eröffnet, Bornitrid-Materialien mit den richtigen Mengen an hexagonalen und kubischen Strukturen anzupassen und so ein breites Spektrum maßgeschneiderter mechanischer, thermischer, elektrischer und optischer Eigenschaften in diesem Material zu ermöglichen“, sagte Pulickel Ajayan, korrespondierender Autor der Studie und Vorsitzender der Rice-Abteilung für Materialwissenschaft und Nanotechnik. Ajayan ist Benjamin M. und Mary Greenwood Anderson Professor für Ingenieurwissenschaften und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik, Chemie sowie chemische und biomolekulare Technik.
Mehr Informationen:
Abhijit Biswas et al., Phasenstabilität von hexagonalen/kubischen Bornitrid-Nanokompositen, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01537