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May 16, 2023

Au-delà du graphène : le pouvoir exceptionnel de deux

À mesure que la technologie progresse, les scientifiques recherchent de nouveaux matériaux pour répondre aux

À mesure que la technologie progresse, les scientifiques recherchent de nouveaux matériaux pour répondre aux exigences de notre monde en constante évolution. L'une des catégories les plus prometteuses est celle des matériaux bidimensionnels (2D), qui n'ont que quelques atomes d'épaisseur. Parmi ceux-ci, le nitrure de bore (BN), un composé inorganique composé d'un nombre égal d'atomes de bore et d'azote, fait actuellement l'objet de nombreuses recherches et développements. Le BN est un matériau unique dont les propriétés peuvent varier en fonction de la disposition des atomes B et N.

Les différentes formes de BN sont isostructurales aux matériaux carbonés. La forme cubique du BN (c-BN) a une disposition cristalline similaire à celle du diamant, tandis que la structure hexagonale du BN (h-BN), qui est la forme cristalline la plus stable, ressemble au graphite. En raison de cette caractéristique isostructurale, le h-BN est également appelé « graphite blanc ». C'est un matériau stratifié où, dans chaque couche, les atomes d'azote et de bore sont fortement liés par des liaisons covalentes dans un réseau en nid d'abeille. Les couches sont maintenues ensemble par des interactions faibles, les forces de van der Waals. L'arrangement intercalaire de ces feuillets diffère cependant du modèle observé pour le graphite, car les atomes sont décalés, ce qui conduit à plusieurs polytypes, le plus célèbre, après h-BN, étant le rhomboédrique (r-BN). Dans h-BN, les atomes B sont au-dessus des atomes N. Cette structure conduit à un matériau céramique extrêmement stable à haute conductivité thermique qui est également un excellent isolant électrique, avec une bande interdite ultra large d'environ 6 eV. Ces dernières années, avec l'essor du graphène1 et les progrès ultérieurs de la recherche sur les nanofeuillets graphitiques mono et multicouches, un intérêt croissant s'est développé pour le h-BN 2D.

Avec la même structure en nid d'abeille et des paramètres de réseau remarquablement proches de ceux du graphite,2 il est souvent considéré comme un substrat isolant idéal pour le graphène et comme le meilleur matériau barrière dans les hétérostructures vdW.3 Toutes ces propriétés rendent le h-BN idéal pour une utilisation dans l'électronique, la photonique et l'optoélectronique, où il peut être utilisé pour créer une variété de dispositifs, y compris des transistors, des photodétecteurs et des capteurs. En conséquence, le h-BN est devenu un matériau clé dans la recherche sur les matériaux 2D et un candidat prometteur pour les futures innovations technologiques.4

Pour toutes ces raisons, il est devenu de plus en plus important de développer des méthodes efficaces et rentables pour la synthèse de feuilles de h-BN. Le H-BN ne se trouve pas dans la nature car sa synthèse est un processus difficile en raison de la forte réactivité de ses composants qui doivent être combinés dans des rapports spécifiques à des températures et des pressions extrêmes, ce qui peut être difficile à réaliser. Le BN est donc produit uniquement de manière synthétique, principalement à partir de bore pur, d'acide borique (H3BO3)5 ou de trioxyde de bore (B2O3).

Ces dernières années, diverses autres méthodes ont été développées pour synthétiser des nanostructures h-BN 2D. Deux approches principales peuvent être distinguées, l'approche ascendante et l'approche descendante. L'approche ascendante consiste à développer ou à assembler des nanostructures de BN à partir de petits blocs de construction. Ces blocs de construction peuvent être des molécules inorganiques ou organiques. Par exemple, les nanofeuilles de h-BN peuvent être synthétisées à partir de molécules de borazine (B3N3H6) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), un procédé chimique dans lequel une phase vapeur est utilisée pour déposer un film mince de matériau sur un substrat. La borazine est généralement introduite dans un réacteur à haute température où elle est décomposée pour former des couches de h-BN sur le substrat. Les films de h-BN déposés par CVD sont majoritairement polycristallins avec une granulométrie généralement de plusieurs dizaines de micromètres avec une forme triangulaire. Des dépôts à l'échelle d'une plaquette peuvent être obtenus mais il est souvent nécessaire de les transférer sur le substrat cible pour l'intégration de processus industriels. La méthode descendante, quant à elle, consiste à partir d'un matériau h-BN massif préexistant, puis à réduire progressivement sa taille jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée. Cette approche est généralement utilisée pour produire des nanofeuilles de h-BN en utilisant une exfoliation chimique ou mécanique pour briser les forces de Van der Waals entre les couches hexagonales et séparer physiquement les feuilles 2D résultantes de h-BN du matériau en vrac. Même si la taille des structures exfoliées est généralement réduite et que leur rendement peut être faible, la qualité d'origine du matériau en vrac de départ est conservée après exfoliation. Par conséquent, il est important de disposer de grandes sources de h-BN monocristallines (de l'ordre de quelques millimètres) comme matières premières disponibles pour l'exfoliation des feuilles de h-BN 2D qui peuvent être davantage intégrées dans des dispositifs commerciaux. Cependant, la réalisation de cristaux jusqu'à l'échelle millimétrique reste un défi.

Au Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (LMI) de l'Université de Lyon, France, nous développons depuis de nombreuses années la synthèse de h-BN sous différentes formes (fibres, films minces, nanotubes, membranes méso ou microporeuses) pour applications tribologiques, thermostructurales ou énergétiques. L'accès à ces formes spécifiques est rendu possible par la voie de synthèse utilisée, la pyrolyse des polymères pré-céramiques (PDC), qui consiste à synthétiser un précurseur moléculaire et à le polymériser en un polymère pré-céramique inorganique pouvant être mis en forme avant céramisation.

Pour le développement du h-BN, le précurseur moléculaire que nous utilisons est la borazine car il partage déjà sa structure hexagonale avec le h-BN cible. Étant donné que la borazine liquide est très volatile à température ambiante, pour la croissance cristalline, sa forme polymère, le polyborazylène, est préférée et est obtenue sous forme de poudre blanche après un processus de polymérisation. La formation de h-BN par des précurseurs polymères est grandement améliorée par l'utilisation d'un solvant alcalin tel que Li3N, favorisant la mobilité des espèces une fois fondues.6,7 Ainsi, la voie des PDC permet l'élaboration de h-BN avec des propriétés texturales et structurelles.

Au cours de la dernière décennie, avec l'intégration de LMI dans le cadre du Graphene Flagship, un projet financé par l'UE qui cherche à explorer le potentiel des matériaux à base de graphène, nos efforts de recherche se sont concentrés sur l'amélioration de la voie des PDC pour la fabrication de nanomatériaux h-BN. En particulier, en couplant les PDC avec différents procédés de frittage, tels que le frittage par plasma étincelant (SPS), le four à pression contrôlée (PCF) ou le frittage sous pression de gaz (GPS) à partir du même polymère précéramique, la taille des cristaux peut être augmentée de quelques microns à quelques millimètres.8–11 De plus, en combinant les PDC avec le dépôt de couche atomique (ALD), des nano-/hétéro-structures fonctionnelles de BN ont été synthétisées avec succès à partir de modèles sensibles hautement structurés, faisant de ce procédé ALD une alternative prometteuse pour la fabrication de nanostructures BN fonctionnelles.12–15 Il a été démontré que le niveau de cristallinité du matériau BN déposé dépend fortement du niveau de cristallinité du substrat.

Enfin, ces matériaux h-BN, issus du procédé chimique des PDC, ont démontré leur intérêt à la fois pour les applications électroniques et optiques. En effet, il a été possible de réaliser, à titre de preuve de concept, la première application réussie des hétérostructures de van der Waals constituées de monocouches MoSe2 et WSe2 encapsulées dans des feuillets de h-BN réalisées au LMI.16 Des résultats très encourageants ont également été obtenus sur du métal -dispositifs à condensateur hBN-métal utilisant h-BN du LMI.17

Cela démontre que la combinaison de la voie des PDC avec des techniques de mise en forme fournit une plate-forme idéale pour régler la structure, la cristallinité et la morphologie des matériaux h-BN finaux en fonction des conditions de synthèse choisies et des applications prévues.

Attention, cet article paraîtra également dans la treizième édition de notre publication trimestrielle.

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