ライスラボの窒化ホウ素複合材料は先端技術の応用に役立つ可能性がある

カーボンが 2 番の鉛筆のもろい芯と、切削工具の鋼鉄より硬いダイヤモンドの両方を構成するのと同じように、窒化ホウ素は、柔らかいまたは硬い化合物を生成します。 しかし、炭素とは異なり、窒化ホウ素の形態や、温度や圧力の変化に対するその反応についてはほとんどわかっていません。

ライス大学の科学者らは、「白色グラファイト」としても知られる柔らかい品種である六方晶系窒化ホウ素と、硬度がダイヤモンドに次ぐ材料である立方晶系窒化ホウ素を混合し、得られたナノ複合材料が予想外の方法で光や熱と相互作用し、有用であることを発見した。次世代のマイクロチップ、量子デバイス、その他の高度なテクノロジーのアプリケーションに使用されます。

「六方晶系窒化ホウ素は、コーティング、潤滑剤、化粧品など、さまざまな製品に広く使用されています」と、Nano Lettersに掲載された研究に関する論文の筆頭著者である研究科学者のアビジット・ビスワス氏は述べた。 「非常に柔らかく、優れた潤滑剤であり、非常に軽量です。 また、安価であり、室温および大気圧下で非常に安定です。

「立方晶窒化ホウ素も非常に興味深い材料であり、エレクトロニクス用途に非常に有望な特性を備えています。 六方晶系窒化ホウ素とは異なり、非常に硬く、硬度はダイヤモンドに近いのです。」

これら 2 つの一見正反対の材料の複合材料は、さまざまな機能において親材料を上回りました。

「この複合材料の熱伝導率が低いことがわかりました。つまり、電子機器などの断熱材として機能する可能性があります」とビスワス氏は述べた。 「混合材料の熱的および光学的特性は、2 種類の窒化ホウ素の平均とは大きく異なります。」

この研究の責任著者の一人であるHanyu Zhu氏は、「我々が測定する第二高調波発生と呼ばれる光学特性は、この種の不規則な材料では小さいだろう」と予想していると述べた。

「しかし実際には、加熱後は非常に大きくなり、個々の材料と未処理の混合物の両方よりも桁違いに大きくなることが分かりました。」

同氏は、複合材料中のホウ素原子と窒素原子がより大きな規則性を示し、より大きな粒子を形成したと述べた。粒子とは、格子内にコヒーレントに並んだ原子のグループのサイズを指す。

「混合されていない出発化合物中の小さな粒子から立方晶窒化ホウ素粒子がこの材料中で減少するのではなく成長していることを発見して驚いた」とウィリアム・マーシュ・ライス教授で材料科学およびナノエンジニアリングの助教授であるZhu氏は述べた。

理論的予測と実験結果により、2 種類の窒化ホウ素のうちどちらがより安定であるかについて競合する主張が生まれました。

「一部の理論家は、周囲条件では立方晶窒化ホウ素の方が安定であると言っています」とビスワス氏は言う。 「実験的に、六方晶系窒化ホウ素は非常に安定していることがわかっています。 したがって、どの窒化ホウ素相が最も安定であるかと尋ねると、おそらく六方晶系窒化ホウ素と答えるでしょう。 私たちが実験的に見ているのは、理論的に人々が言っ​​ていることの逆であり、まだ議論の余地があります。」

この複合材料にスパークプラズマ焼結として知られる急速な高温技術を施すと、六方晶系窒化ホウ素に変化しました。 ビスワス氏は、これは理論的予測を裏付け、「どの種類の窒化ホウ素がどのような条件で現れるか」の全体像を描くのに役立つと述べた。

さらに、この処理後に得られた六方晶窒化ホウ素は、最初に混合物に使用したものよりも高品質であった。

「次に注目するのは、放電プラズマ焼結技術がそれ自体で六方晶窒化ホウ素の品質を向上させるのか、それともその効果を得るために複合材料が必要なのかということです」とビスワス氏は述べた。

「この研究の興味深い点は、窒化ホウ素材料を適切な量の六方晶系および立方晶系構造で調整する可能性が開かれ、その結果、この材料の機械的、熱的、電気的、光学的特性を広範囲にわたって調整できることです」とピュリッケル氏は述べています。 Ajayan 氏は、この研究の責任著者であり、ライス大学の材料科学およびナノエンジニアリング学部の学部長です。 アジャヤンは、ベンジャミン M. アンド メアリー グリーンウッド アンダーソン工学教授であり、材料科学、ナノエンジニアリング、化学、化学および生体分子工学の教授です。