石墨烯與它的好朋友——六角硼氮

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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。

 

圖1:石墨烯是夢幻的材料,但當它遇見好朋友硼氮時,比起普通朋友矽晶圓再一起,導電度可以提高三倍!看來結交到好朋友很重要呢!|來源:作者提供

 

 
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。

圖2:石墨與硼氮的晶格距離及層與層之間的間距|來源:作者提供

 

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。

圖3:將h-BN覆蓋在物體表面增強其抗腐蝕性示意圖,h-BN以六角蜂巢的形狀分布|來源:Microsoft Bing AI生成

 

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

  1. A. Gupta & T. Sakthivel & S. Seal, 2015, “Recent development in 2D materials beyond graphene.”, Progress in Materials Science, 73, 44–126.
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  3. K. H. Lee & H. Shin & J. Lee & I. Lee & G. Kim & J. Choi & S. Kim, 2012, “Large-Scale synthesis of High-Quality hexagonal boron nitride nanosheets for Large-Area graphene electronics.”, Nano Letters, 12(2), 714–718.

 


📖 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

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