石墨烯與它的好朋友——六角硼氮
白石墨稀 (h-BN) 作為石墨稀的好朋友，不只與石墨稀有相似的特性，還能使石墨稀有更卓越的表現。h-BN具有高硬度、高彈性和高導熱性，並擁有優異的化學穩定性和抗氧化能力。h-BN絕緣的特性可作為原子級的能障，被視為應用於量子穿隧元件的理想材料。此外，它在電子元件製造中可作為堅固的保護層，防止侵蝕。作為石墨稀的基板材料，h-BN的結構與石墨稀相似且表面平坦，能提升石墨稀的導電性達三倍之多。然而，製備高品質的h-BN需要在高溫和高真空的環境下，科學家們正致力於開發新的製程方法以實現商業化生產。
撰文｜黃鼎鈞
石墨稀 (graphene) 被視為本世紀最夢幻的材料之一，它打開了奈米科技全新的視野，它具有高硬度、高彈性、高導電性和高導熱性的特性，且僅具一層原子層的厚度，又被稱為二維材料，可以進一步微縮元件。先前的文章《市面上的石墨烯產品，真的有那麼厲害嗎？》介紹了石墨烯的特性和製備過程，以及世界各國對石墨烯研究的熱烈關注。若你也是石墨稀的粉絲，那麼你一定要認識它的好朋友「白石墨稀」(White graphene)，正如喜歡喝黑咖啡的人也會知道有白咖啡，他們都是咖啡，只是一個有加牛奶。白石墨烯與石墨烯有許多相似之處，但也有截然不同的地方。
石墨烯的好朋友——六方硼氮
白石墨稀，正式名稱為六方硼氮 (h-BN, Hexagonal boron nitride)，是由硼原子 (Boron) 和氮原子 (Nitride) 以六角蜂巢結構組成。硼氮與石墨的排列方式相似，但原子間距稍有不同，硼氮的原子間距為2.459埃，而石墨稀的原子間距則為2.504埃；此外，硼氮和石墨稀層與層之間的距離分別為3.33埃和3.354埃。由於硼氮的結構與石墨稀非常相似，因此它又有了「白石墨稀」的稱號。（埃 (Å) 是一個常用的長度單位，1埃代表10-10公尺，用於描述原子間的距離。）
現在讓我們來瞭解一下硼氮在進入奈米科技之前的角色。在工業應用中，機臺的運作會導致環境溫度提升，甚至需要在高溫環境下進行各種工藝。硼氮是一種在高溫下保持其惰性的物質，且硼氮的層與層之間的連結力相對較弱，容易剝落，因此常被用作潤滑劑。除此之外，硼氮還具有極強的抗氧化能力和優異的化學穩定性，這使得它成為一種常見的工業塗層。簡言之，硼氮是一種常被應用於工業設備來免於損壞及腐蝕的材料。
超強導體石墨烯的好朋友是超強絕緣體的六角硼氮
正如我們將石墨層層分離而得到單層原子層石墨稀一樣，若我們將硼氮層層分離，也終將得到其單層原子層，以下我們以h-BN來表示硼氮的二維狀態。h-BN和石墨稀具有許多相同的特性，例如高硬度、高彈性和優異的導熱性，然而它們最大的不同之處在於電性。h-BN是一種電的絕緣體，具有6.07電子伏特的能隙；相比之下，作為導體的石墨稀具有零能隙，是一種出色的導體。正因如此，科學家將h-BN視為構成原子級能障的理想材料，期望將其應用於量子穿隧元件中，欲瞭解詳情，可參考《穿牆超能力？量子物理的穿隧效應》。
另一個與石墨稀不同的地方是，h-BN中的原子彼此以離子鍵連結，而石墨稀則是以共價鍵連結。在h-BN中，氮原子失去電子，硼原子獲得電子，形成離子鍵，這種正負離子的吸引增強了h-BN原子之間的鍵結力，使其比石墨稀具有更強的鍵結力。因此，h-BN可以作為非常堅固的保護層，在電子元件的製造過程中，保護材料免受到其他化學藥品的侵蝕。
當石墨烯與好朋友h-BN在一起時
在奈米科技中，材料的應用通常需要一個稱為「基板」的載體。基板的平坦程度越高，對於上面沉積的材料影響越小；而如果基板的結構與上面的材料相似，則可以促使材料按照自身的特性生長。將手套比喻成材料，我們的手類比為基板，如果我們的指甲很尖銳，也就是說很粗糙，很可能會搓破手套；而如果手的大小和形狀與手套非常相似，則能夠穿戴得更加貼合，手套便可以發揮最佳的功能。在半導體科技中，大多數情況下是使用矽基板作為材料的基板，然而科學家發現矽基板表面對於石墨稀相對粗糙，而且矽的結構與石墨稀不同，這都會降低石墨稀優異的導電性，因此h-BN被視為石墨稀的最佳基板材料，因為它與石墨稀的結構最相似，厚度也只有一個原子層的，其表面可以說是相當平坦，而且h-BN穩定的化學特性不會與石墨稀產生預期之外的反應。研究發現，相較於將石墨稀直接放在矽基板上，將石墨稀放在h-BN基板上可以提升石墨稀的導電性高達三倍。若說好朋友是能夠激發出最好的自己，h-BN果真是石墨稀的好搭檔！
h-BN的製備方法主要是利用化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)，並以氨硼烷(NH3-BH3) 作為物質來源，這種方法與石墨稀的製備方法相似。然而，為了獲得高品質的h-BN，需要在高溫（超過1000 °C）和高真空的環境下進行。如果要大量製造高品質的h-BN以實現商業化，就需要開發出能夠在較低的溫度和低真空環境中量產的新製程方法，為了克服這個挑戰，科學家們正在努力尋求突破。相信當人們對於二維材料又有更多的認識時，透過不同的材料組合，將會帶領奈米科技更上一層樓！
參考文獻
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📖 延伸閱讀：《市面上的石墨烯產品，真的有那麼厲害嗎？》、《穿牆超能力？量子物理的穿隧效應》