Le composite de nitrure de bore du laboratoire Rice pourrait être utile pour les applications technologiques avancées

Tout comme le carbone constitue à la fois le noyau fragile d'un crayon n°2 et le diamant plus dur que l'acier dans un outil de coupe, le nitrure de bore donne naissance à des composés qui peuvent être mous ou durs. Pourtant, contrairement au carbone, on en sait beaucoup moins sur les formes du nitrure de bore et leurs réponses aux changements de température et de pression.

Des scientifiques de l'Université Rice ont mélangé du nitrure de bore hexagonal – une variété molle également connue sous le nom de « graphite blanc » – avec du nitrure de bore cubique – un matériau deuxième en dureté après le diamant – et ont découvert que le nanocomposite résultant interagissait avec la lumière et la chaleur de manière inattendue qui pourrait être utile. dans les micropuces de nouvelle génération, les dispositifs quantiques et d’autres applications technologiques avancées.

"Le nitrure de bore hexagonal est largement utilisé dans une variété de produits, tels que les revêtements, les lubrifiants et les cosmétiques", a déclaré Abhijit Biswas, chercheur scientifique et auteur principal d'une étude sur la recherche publiée dans Nano Letters. « C'est assez doux et c'est un excellent lubrifiant et très léger. Il est également bon marché et très stable à température ambiante et sous pression atmosphérique.

« Le nitrure de bore cubique est également un matériau très intéressant, avec des propriétés qui le rendent très prometteur pour une utilisation en électronique. Contrairement au nitrure de bore hexagonal, il est extrêmement dur – en fait, sa dureté est proche de celle du diamant.

Le composite de ces deux matériaux apparemment opposés a surpassé ses matériaux parents dans différentes fonctionnalités.

"Nous avons découvert que le composite avait une faible conductivité thermique, ce qui signifie qu'il pourrait servir de matériau d'isolation thermique dans les appareils électroniques, par exemple", a expliqué Biswas. "Les propriétés thermiques et optiques du matériau mélangé sont très différentes de la moyenne des deux variétés de nitrure de bore."

Hanyu Zhu, l'un des auteurs correspondants de l'étude, a déclaré qu'il s'attendait à ce que « la propriété optique que nous mesurons, appelée génération de seconde harmonique, soit faible pour ce type de matériau désordonné.

"Mais après chauffage, il s'avère en réalité assez important, un ordre de grandeur supérieur à la fois au matériau individuel et au mélange non traité."

Il a déclaré que les atomes de bore et d'azote dans le composite présentaient une plus grande régularité et formaient des grains plus gros, où un grain désigne la taille d'un groupe d'atomes alignés de manière cohérente dans un réseau.

"Nous avons été surpris de constater que les grains cubiques de nitrure de bore croissent au lieu de diminuer dans ce matériau à partir des petits grains des composés de départ non mélangés", a déclaré Zhu, titulaire de la chaire William Marsh Rice et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie.

Les prédictions théoriques et les résultats expérimentaux ont donné lieu à des affirmations concurrentes quant à savoir laquelle des deux variétés de nitrure de bore était la plus stable :

"Certains théoriciens affirment que, dans des conditions ambiantes, le nitrure de bore cubique est plus stable", a déclaré Biswas. « Expérimentalement, les gens ont constaté que le nitrure de bore hexagonal est très stable. Donc, si vous demandez à quelqu'un quelle phase de nitrure de bore est la plus stable, il vous répondra probablement le nitrure de bore hexagonal. Ce que nous observons expérimentalement est à l’opposé de ce que les gens disent en théorie, et cela reste encore à débattre. »

Lorsque le composite a été soumis à une technique rapide à haute température connue sous le nom de frittage par plasma étincelant, il s'est transformé en nitrure de bore hexagonal. Biswas a déclaré que cela confirmait les prédictions théoriques et aidait à dresser un tableau plus complet de « quelles variétés de nitrures de bore apparaissent dans quelles conditions ».

De plus, le nitrure de bore hexagonal obtenu après ce traitement était de qualité supérieure à celui initialement utilisé pour le mélange.

"Ce que nous examinerons ensuite, c'est si la technique de frittage par plasma étincelant améliore à elle seule la qualité du nitrure de bore hexagonal, ou si vous avez besoin du composite pour obtenir cet effet", a déclaré Biswas.

"Ce qui est fascinant dans cette étude, c'est qu'elle ouvre la possibilité d'adapter les matériaux en nitrure de bore avec les bonnes quantités de structures hexagonales et cubiques, permettant ainsi une large gamme de propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques adaptées à ce matériau", a déclaré Pulickel. Ajayan, auteur correspondant de l'étude et président du Département de science des matériaux et de nano-ingénierie de Rice. Ajayan est professeur d'ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie, de chimie et de génie chimique et biomoléculaire.