Feuilles de nitrure de bore 2D pures et cristallisées synthétisées via un nouveau procédé couplant à la fois les méthodes PDC et SPS

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 20388 (2016) Citer cet article

3818 Accès

25 citations

Détails des métriques

Dans le contexte des recherches émergentes liées au graphène, il est bien connu que les nanofeuilles de h-BN (BNNS), également appelées BN 2D, sont considérées comme le meilleur candidat pour remplacer le SiO2 en tant que support diélectrique ou couche de recouvrement du graphène. En conséquence, le développement d’une nouvelle source alternative de cristaux de h-BN hautement cristallisés, adaptée à une exfoliation plus poussée, est une question scientifique majeure. Cet article propose une approche prometteuse pour synthétiser des flocons de h-BN purs et bien cristallisés, qui peuvent être facilement exfoliés en BNNS. Ce nouveau procédé de production accessible représente une source d’approvisionnement alternative pertinente en réponse au besoin croissant de BNNS de haute qualité. La stratégie de synthèse pour préparer du h-BN pur repose sur une combinaison unique de la voie des céramiques dérivées de polymères (PDC) avec le procédé de frittage par plasma étincelant (SPS). Grâce à une enquête chimique et structurelle à plusieurs échelles, il est clairement démontré que les flocons obtenus sont de grande taille (jusqu'à 30 μm), sans défauts et bien cristallisés, caractéristiques clés pour une exfoliation ultérieure en BNNS pertinents.

Grâce à leur remarquable potentiel pour les applications électroniques, les recherches liées aux nanomatériaux 2D sont actuellement en plein essor. En particulier, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau clé notamment dans le contexte des recherches émergentes liées au graphène. En effet, il est bien connu que les BNNS ont été considérés comme l’un des meilleurs candidats pour remplacer le SiO2 en tant que support diélectrique ou couche de recouvrement du graphène1. La raison la plus importante est liée aux imperfections de surface du SiO2 (rugosité, pièges chargés…), qui peuvent limiter considérablement la mobilité des porteurs au sein des feuillets atomiques du graphène, affectant alors leurs propriétés de transport électronique. Étant donné que les paramètres de réseau des BNNS correspondent parfaitement à ceux du graphène, cet inconvénient devrait être surmonté2. Des travaux récents3,4 présentent même la possibilité de construire des hétérostructures multicouches dans lesquelles du h-BN et des flocons de graphène exfolié sont alternativement empilés pour former des transistors à base de graphène orientés verticalement5,6.

Pour réussir dans ces domaines d’applications, le développement d’une ressource accessible de cristaux de h-BN purs et hautement cristallisés reste un défi. Aujourd'hui, seules deux sources principales de cristaux de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sont couramment disponibles pour la production de BNNS après un clivage mécanique ou chimique. Tout d’abord, les sources commerciales7,8, généralement obtenues à partir d’un composé du bore oxygéné réagissant avec une source azotée, qui se caractérisent le plus souvent par un niveau élevé de défauts avec des zones cristallines relativement petites (de moins de 2 μm jusqu’à 10 μm ). Deuxièmement, les cristaux de h-BN peuvent également être trouvés à l’aide de la méthode HPHT (High Pressure High Temperature) adoptée à l’Institut national de la science des matériaux (NIMS Japon)9,10. Ce processus permet le clivage d'échantillons de BN relativement grands (~ 100 μm) et minces (plusieurs nm) avec une surface atomiquement plate et une faible densité de défauts. Cependant, la diffusion de cette dernière ressource est entravée par ses conditions de production sévères, par exemple haute température (jusqu'à 2 100 °C), haute pression (5,5 GPa) et durée de traitement (80 h). Ces spécificités ne permettent pas, jusqu'à présent (à notre connaissance), la reproductibilité de ce parcours par d'autres groupes.

Afin d’obtenir de grandes feuilles de h-BN hautement cristallisées, deux stratégies peuvent être envisagées. La première consiste en un dépôt direct des BNNS requis sur un substrat, tandis que la seconde est basée sur la génération de BNNS par exfoliation de gros monocristaux de h-BN.

Considérant la première approche, la littérature rapporte des synthèses par CVD et dérivés de CVD11,12,13,14,15 de nanocouches de BN déposées sur différents substrats à l'aide de précurseurs à base de bore et d'azote16,17,18,19. Cependant, en adoptant de telles méthodes gazeuses, il est difficile de contrôler la formation de défauts et d’ajuster le nombre de couches. La deuxième approche tire parti de la faible force interplanaire du h-BN pour obtenir, par exfoliation, une structure bidimensionnelle de type graphène à quelques couches (souvent appelée nanofeuillets de BN). L'exfoliation est bien documentée dans la littérature et peut être réalisée par des méthodes mécaniques16,20,21,22,23,24 ou chimiques25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35. En conséquence, cette manière indirecte de générer des BNNS par exfoliation à partir de cristaux de h-BN de haute qualité semble plus pertinente, mais souffre en réalité d’un manque de sources d’approvisionnement en h-BN pur, comme indiqué ci-dessus.