그래핀 너머: 두 가지의 뛰어난 힘

기술이 발전함에 따라 과학자들은 끊임없이 변화하는 세계의 요구를 충족할 수 있는 새로운 재료를 찾고 있습니다. 가장 유망한 카테고리 중 하나는 두께가 원자 몇 개에 불과한 2차원(2D) 소재입니다. 이 중 질화붕소(BN)는 붕소와 질소 원자가 같은 수로 이루어진 무기 화합물로 현재 많은 연구개발 대상이다. BN은 B와 N 원자의 배열에 따라 특성이 달라질 수 있는 독특한 물질입니다.

다양한 형태의 BN은 탄소 재료와 등구조적입니다. 입방체 형태의 BN(c-BN)은 다이아몬드와 유사한 결정 배열을 갖고 있는 반면, 가장 안정적인 결정 형태인 BN(h-BN)의 육각형 구조는 흑연과 유사하다. 이러한 등구조적 특징 때문에 h-BN은 '백색 흑연'이라고도 불립니다. 각 층의 질소와 붕소 원자가 벌집 격자의 공유 결합으로 강하게 연결된 층상 물질입니다. 층은 약한 상호작용인 반 데르 발스 힘에 의해 서로 결합됩니다. 그러나 이러한 시트의 층간 배열은 원자가 엇갈리게 배열되어 여러 가지 다형으로 이어지기 때문에 흑연에서 관찰된 모델과 다르며, h-BN 다음으로 가장 유명한 것은 능면체(r-BN)입니다. h-BN에서는 B 원자가 N 원자 위에 있습니다. 이 구조는 약 6eV의 매우 넓은 밴드 갭을 갖는 우수한 전기 절연체이기도 한 높은 열 전도성을 갖춘 매우 안정적인 세라믹 재료로 전도됩니다. 최근 몇 년 동안 그래핀1의 등장과 그에 따른 단층 및 다층 흑연 나노시트에 대한 연구가 진행되면서 2D h-BN에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

동일한 벌집 구조와 격자 매개변수가 흑연과 매우 유사하여2 이는 종종 그래핀을 위한 이상적인 절연 기판이자 vdW 이종 구조의 최고의 장벽 재료로 간주됩니다.3 이러한 모든 특성으로 인해 h-BN은 다음과 같은 분야에 사용하기에 이상적입니다. 트랜지스터, 광검출기 및 센서를 포함한 다양한 장치를 만드는 데 사용할 수 있는 전자공학, 포토닉스 및 광전자공학. 그 결과, h-BN은 2차원 재료 연구의 핵심 소재이자 미래 기술 혁신의 유망한 후보가 되었습니다.4

이러한 모든 이유로 인해 h-BN 시트 합성을 위한 효율적이고 비용 효율적인 방법을 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. H-BN은 극한의 온도와 압력에서 특정 비율로 결합해야 하는 구성 요소의 높은 반응성으로 인해 합성이 어려운 과정이므로 자연에서 발견되지 않습니다. 따라서 BN은 주로 순수한 붕소, 붕산(H3BO3)5 또는 삼산화붕소(B2O3)로부터 합성 방식으로만 생산됩니다.

최근에는 2차원 h-BN 나노구조를 합성하기 위한 다양한 방법이 개발되었다. 크게 두 가지 접근 방식, 즉 상향식 접근 방식과 하향식 접근 방식을 구분할 수 있습니다. 상향식 접근법에는 작은 빌딩 블록에서 BN 나노구조를 성장시키거나 조립하는 것이 포함됩니다. 이러한 빌딩 블록은 무기 또는 유기 분자일 수 있습니다. 예를 들어, h-BN 나노시트는 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여 보라진(B3N3H6) 분자로부터 합성할 수 있습니다. 화학 기상 증착(CVD)은 기상을 사용하여 물질의 박막을 기판에 증착하는 화학 공정입니다. 보라진은 일반적으로 고온 반응기에 공급되어 분해되어 기판에 h-BN 층을 형성합니다. CVD 증착된 h-BN 필름은 주로 삼각형 모양의 입자 크기가 수십 마이크로미터인 다결정질입니다. 웨이퍼 규모의 증착물을 얻을 수 있지만 산업 공정 통합을 위해 이를 대상 기판으로 옮겨야 하는 경우가 많습니다. 반면, 하향식 방법은 기존의 벌크 h-BN 재료에서 시작하여 원하는 두께가 얻어질 때까지 점차적으로 크기를 줄이는 방법입니다. 이 접근법은 일반적으로 화학적 또는 기계적 박리를 사용하여 육각형 층 사이의 반 데르 발스 힘을 파괴하고 생성된 h-BN의 2D 시트를 벌크 재료에서 물리적으로 분리하여 h-BN 나노시트를 생산하는 데 사용됩니다. 박리된 구조의 크기가 일반적으로 줄어들고 수율이 작더라도 박리 후에도 초기 벌크 재료의 원래 품질이 유지됩니다. 따라서 상용 장치에 추가로 통합될 수 있는 2D h-BN 시트의 박리에 사용할 수 있는 출발 물질로서 대형(몇 밀리미터 정도) 단결정 h-BN 소스를 보유하는 것이 중요합니다. 그러나 최대 밀리미터 규모의 결정을 얻는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.