Nitruro de boro hexagonal (h-BN): Estructura, propiedades y aplicaciones

Introducción

Elnitruro de bor o (BN) existe en varias formas cristalinas, incluidas las fases cúbica (c-BN), hexagonal (h-BN) y amorfa. Entre ellas, el nitruro de boro hexagonal es la que ha atraído más atención por su similitud estructural con el grafito y su combinación de estabilidad térmica, aislamiento eléctrico e inercia química. El h-BN, a menudo denominado "grafito blanco", se utiliza ampliamente en microelectrónica, ingeniería de altas temperaturas y compuestos avanzados.

Estructura y propiedades intrínsecas

El nitruro de boro hexagonal adopta una red hexagonal en capas con una configuración de apilamiento ABAB. Cada capa se compone de átomos alternos de boro y nitrógeno unidos por fuertes enlaces covalentes en el plano. La interacción entre capas, regida por las fuerzas de Van der Waals, hace que el material sea mecánicamente anisótropo: rígido en el plano y fácilmente escindible fuera del plano.

Aunque el h-BN y el grafito comparten una geometría reticular similar, sus estructuras electrónicas difieren fundamentalmente. El grafito es conductor debido a los electrones π deslocalizados, mientras que el h-BN, con enlaces iónicos B-N, es un aislante de banda ancha (~5,9 eV).

Propiedades clave:

• Estructura cristalina: Hexagonal

• Parámetros de red: a ≈ 2,50 Å, c ≈ 6,66 Å

• Espaciado entre capas: ~3.33 Å

• Banda prohibida: ~5,9 eV (indirecta)

• Densidad: ~2,1 g/cm^3

Artículo relacionado: ¿Cuáles son las características del nitruro de boro hexagonal?

Propiedades termofísicas y químicas

El h-BN presenta una combinación única de conductividad térmica, estabilidad térmica y resistencia química:

• Conductividad térmica: Hasta 200-400 W/m-K en el plano; significativamente menor fuera del plano.

• Expansión térmica: Anisótropa; ~2 × 10^-6 K^-1 en el plano, mayor fuera del plano.

• Estabilidad química: Inerte a la mayoría de ácidos y bases, y estable en aire hasta ~1000 °C.

• Lubricidad: Bajo coeficiente de fricción, estable en vacío y en ambientes oxidantes.

Estas propiedades hacen que el h-BN sea adecuado para entornos exigentes que combinan calor, oxidación y desgaste.

Técnicas de síntesis

La ruta de síntesis del nitruro de boro hexagonal (h-BN) determina directamente su calidad estructural, tamaño lateral, control de espesor y densidad de defectos, todo lo cual influye en su idoneidad para aplicaciones electrónicas, térmicas y mecánicas. En términos generales, los métodos de síntesis pueden clasificarse en estrategias de exfoliación descendente y técnicas de crecimiento químico ascendente.

Métodos descendentes

Estos métodos parten del h-BN a granel y lo reducen a escamas más finas o láminas de pocas capas.

Exfoliación mecánica
Este método, a menudo conocido como la técnica de la "cinta adhesiva", consiste en desprender físicamente capas de un cristal de h-BN a granel utilizando materiales adhesivos. La ventaja reside en la alta cristalinidad y la baja densidad de defectos de las láminas resultantes, que son ideales para estudios fundamentales o dispositivos 2D de alto rendimiento. Sin embargo, el proceso es manual, lento e intrínsecamente de bajo rendimiento, por lo que no es adecuado para la producción a gran escala o comercial.

Exfoliación en fase líquida (LPE)
La exfoliación en fase líquida utiliza ultrasonidos o mezclas de alto cizallamiento en disolventes adecuados (por ejemplo, N-metil-2-pirrolidona, isopropanol o soluciones acuosas de tensioactivos) para deslaminar el h-BN a granel y convertirlo en nanocapas de pocas capas. Ofrece un mayor rendimiento que la exfoliación mecánica y es escalable hasta el nivel del gramo o más. Sin embargo, el proceso suele introducir defectos estructurales, oxidación de los bordes o fragmentación de las láminas, lo que puede degradar las propiedades eléctricas y mecánicas. La centrifugación se suele utilizar después de la exfoliación para seleccionar escamas del grosor y la distribución de tamaños deseados.

Desafíos de los métodos descendentes:

• El control sobre las dimensiones laterales y el espesor sigue siendo limitado.

• Es difícil eliminar completamente los tensioactivos o disolventes.

• Las altas densidades de defectos en los LPE pueden limitar el rendimiento térmico y electrónico.

Métodos ascendentes

Las técnicas ascendentes permiten controlar a nivel atómico el crecimiento de la película y son preferibles cuando la uniformidad, la precisión del espesor y la integración son fundamentales.

Deposición química en fase vapor (CVD)
El CVD es el método más prometedor para la síntesis a escala de oblea de h-BN de pocas capas o monocapa. Entre los precursores más comunes se incluyen:

• Amoniaco borano (NH3-BH3): Genera BN por descomposición térmica.

• Borazina (B3N3H6): Compuesto cíclico con enlaces B-N ya formados, que produce una mayor cristalinidad.

• También se han estudiadola B-tricloroborazina (B3N3Cl3) y las mezclas de diborano + amoníaco.

El crecimiento se produce normalmente en sustratos de metales de transición como láminas de cobre, níquel o hierro a temperaturas que oscilan entre 900 °C y 1100 °C. El tipo de sustrato afecta a la densidad de nucleación, el tamaño de grano y la alineación. Para integrar el h-BN en superficies aislantes o semiconductoras se requieren procesos de transferencia.

Parámetros clave que influyen en la calidad del CVD

• Caudal y pureza del precursor

• Presión de la cámara (el CVD a baja presión produce dominios más grandes)

• Cristalinidad y orientación del sustrato

• Velocidad de enfriamiento tras el crecimiento (afecta a la formación de límites de grano)

Cerámicas derivadas de polímeros (PDC)
La síntesis de PDC implica la pirolización de precursores poliméricos que contienen boro y nitrógeno, como el poliborazileno o la poli[B-tricloroborazina]. Bajo una atmósfera controlada (a menudo amoniaco o nitrógeno), estos precursores se descomponen en cerámica de nitruro de boro. Este método es adecuado para fabricar componentes de h-BN a granel o con forma, como crisoles, aislantes o revestimientos. El proceso permite la integración con refuerzos de fibra o andamios porosos, lo que lo hace ideal para compuestos estructurales.

Ventajas del PDC:

• Control estequiométrico preciso

• Moldeado personalizado antes de la pirólisis

• Capacidad de producir cerámicas densas y no porosas para usos mecánicos y térmicos.

Resumen y ventajas y desventajas

Áreas de aplicación

Electrónica y sistemas de aislamiento
Como aislante atómicamente plano con alta rigidez dieléctrica, el h-BN se utiliza ampliamente en dispositivos electrónicos 2D como dieléctrico de puerta, sustrato o capa de encapsulación, especialmente para heteroestructuras de grafeno y TMD.

Componentes de alta temperatura
Debido a su resistencia a los choques térmicos y a su inercia, el h-BN se utiliza en componentes de hornos, crisoles y aplicaciones aeroespaciales como los sistemas de protección térmica.

Lubricantes y recubrimientos sólidos
El h-BN mantiene la lubricidad a altas temperaturas y en el aire, ofreciendo ventajas sobre el grafito en entornos oxidativos como el conformado de metales y los ensamblajes aeroespaciales.

Compuestos cerámicos y de polímeros
La incorporación de h-BN en polímeros o cerámicas mejora la conductividad térmica y la estabilidad dimensional, al tiempo que preserva el aislamiento eléctrico. Las aplicaciones típicas incluyen materiales de interfaz térmica (TIM) y aislantes estructurales.

Fotónica y óptica UV
La elevada transparencia óptica del h-BN en UV y su comportamiento fonón-polaritón son prometedores para la fotónica en UV profundo y las aplicaciones ópticas no lineales.

6. Conclusión

El nitruro de boro hexagonal ofrece una rara combinación de banda prohibida ancha, alta conductividad térmica y excelente resistencia química. Su estructura anisotrópica y su compatibilidad con otros materiales 2D lo convierten en un componente esencial para la electrónica, la óptica y los sistemas térmicos de nueva generación. Las investigaciones en curso están ampliando su integración en:

• Plataformas de materiales 2D escalables basadas en CVD

• Materiales compuestos de alto rendimiento con interfaces de ingeniería

• Dispositivos ópticos que explotan su dispersión hiperbólica de fonones

En Stanford Advanced Materials (SAM) suministramos polvos, recubrimientos y formas sinterizadas de h-BN de gran pureza adaptados a aplicaciones industriales y de investigación. Póngase en contacto con nuestro equipo técnico para saber cómo nuestros materiales de nitruro de boro pueden encajar en su próximo proyecto.