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May 16, 2023

Além do grafeno: o poder excepcional de dois

Com o avanço da tecnologia, os cientistas buscam novos materiais para atender às

À medida que a tecnologia avança, os cientistas procuram novos materiais para atender às demandas de nosso mundo em constante mudança. Uma das categorias mais promissoras são os materiais bidimensionais (2D), que têm apenas alguns átomos de espessura. Entre eles, o nitreto de boro (BN), um composto inorgânico feito de números iguais de átomos de boro e nitrogênio, é atualmente objeto de muita pesquisa e desenvolvimento. BN é um material único cujas propriedades podem variar de acordo com o arranjo dos átomos B e N.

As várias formas de BN são isoestruturais aos materiais de carbono. A forma cúbica do BN (c-BN) tem um arranjo cristalino semelhante ao do diamante, enquanto a estrutura hexagonal do BN (h-BN), que é a forma cristalina mais estável, se assemelha ao grafite. Devido a esta característica isoestrutural, o h-BN também é chamado de 'grafite branco'. É um material em camadas onde, em cada camada, os átomos de nitrogênio e boro estão fortemente ligados por ligações covalentes em uma rede de favo de mel. As camadas são mantidas juntas por interações fracas, as forças de van der Waals. O arranjo interlamelar dessas folhas, no entanto, difere do modelo observado para o grafite, pois os átomos são escalonados, o que leva a vários politipos, sendo o mais famoso, depois do h-BN, o romboédrico (r-BN). Em h-BN, os átomos B estão no topo dos átomos N. Esta estrutura conduz a um material cerâmico extremamente estável e com alta condutividade térmica que também é um excelente isolante elétrico, com um gap ultra largo de cerca de 6 eV. Nos últimos anos, com o aumento do grafeno1 e o subsequente progresso da pesquisa em nanofolhas de grafite de camada única e multicamada, um interesse crescente se desenvolveu em 2D h-BN.

Com a mesma estrutura de favo de mel e parâmetros de rede notavelmente próximos aos do grafite,2 é frequentemente considerado como um substrato isolante ideal para o grafeno e como o melhor material de barreira em heteroestruturas vdW.3 Todas essas propriedades tornam o h-BN ideal para uso em eletrônica, fotônica e optoeletrônica, onde pode ser usado para criar uma variedade de dispositivos, incluindo transistores, fotodetectores e sensores. Como resultado, o h-BN tornou-se um material chave na pesquisa de materiais 2D e um candidato promissor para futuras inovações tecnológicas.4

Por todas essas razões, tornou-se cada vez mais importante desenvolver métodos eficientes e econômicos para a síntese de folhas de h-BN. O H-BN não é encontrado na natureza porque sua síntese é um processo difícil devido à alta reatividade de seus componentes que devem ser combinados em proporções específicas em temperaturas e pressões extremas, o que pode ser difícil de alcançar. Assim, o BN é produzido apenas sinteticamente, principalmente a partir de boro puro, ácido bórico (H3BO3)5 ou trióxido de boro (B2O3).

Nos últimos anos, vários outros métodos foram desenvolvidos para sintetizar nanoestruturas 2D h-BN. Duas abordagens principais podem ser distinguidas, a abordagem de baixo para cima e a abordagem de cima para baixo. A abordagem de baixo para cima envolve o crescimento ou montagem de nanoestruturas de BN a partir de pequenos blocos de construção. Esses blocos de construção podem ser moléculas inorgânicas ou orgânicas. Por exemplo, nanofolhas de h-BN podem ser sintetizadas a partir de moléculas de borazina (B3N3H6) usando deposição química de vapor (CVD), um processo químico no qual uma fase de vapor é usada para depositar uma película fina de material sobre um substrato. A borazina é normalmente alimentada em um reator de alta temperatura onde é decomposta para formar camadas de h-BN no substrato. Os filmes de h-BN depositados por CVD são principalmente policristalinos com um tamanho de grão geralmente de várias dezenas de micrômetros com uma forma triangular. Depósitos em escala de wafer podem ser obtidos, mas muitas vezes é necessário transferi-los para o substrato alvo para integração do processo industrial. O método top-down, por outro lado, envolve partir de um material h-BN a granel pré-existente e, em seguida, reduzir gradualmente seu tamanho até que a espessura desejada seja obtida. Essa abordagem é normalmente usada para produzir nanofolhas de h-BN usando esfoliação química ou mecânica para quebrar as forças de Van der Waals entre as camadas hexagonais e separar fisicamente as folhas 2D resultantes de h-BN do material a granel. Mesmo que o tamanho das estruturas esfoliadas seja geralmente reduzido e seu rendimento possa ser pequeno, a qualidade original do material a granel inicial é mantida após a esfoliação. Portanto, é importante ter fontes de h-BN de cristal único grandes (na ordem de alguns milímetros) como materiais de partida disponíveis para a esfoliação de folhas de h-BN 2D que podem ser posteriormente integradas em dispositivos comerciais. No entanto, alcançar cristais até a escala milimétrica continua sendo um desafio.