Atomiskt tunn, 2-D hexagonal bornitrid (h-BN) är ett lovande material vars protean förmåga att genomgå fasomvandlingar till stark, superlätt, kemiskt stabil, oxidationsbeständiga filmer gör dem idealiska för skyddande beläggningar, nanoteknik termiska tillämpningar, djupa UV-ljusstrålare, och mycket mer.

Möjligheterna som finns i olika polytyper av h-BN inkluderar den ultrahårda diamantfasen, en kubisk struktur (c-BN) med styrka och hårdhet näst efter faktiska koldiamanter. Nyckeln till att tillverka sådana material är förmågan att inducera och kontrollera omvandlingen mellan deras olika kristallina faser, på ett sätt som är tillräckligt effektivt och kostnadseffektivt för att möjliggöra stordriftsfördelar.

Även om syntetisering av sådana material i deras "bulk" eller 3D-konfigurationer kräver enormt tryck och värme, forskare vid NYU Tandon School of Engineering har upptäckt att h-BN i lager, molekyltunna 2D-ark kan fasövergå till c-BN vid rumstemperatur.

I en ny studie, ett team ledd av Elisa Riedo, Professor i kemi- och biomolekylär teknik vid NYU Tandon, och i samarbete med Remi Dingreville vid Center for Nanotechnologies vid Sandia National Laboratories, producerade experiment och simuleringar med en nanoskopisk spets som komprimerade atomärt tunn, 2D h-BN-lager för att avslöja hur dessa rumstemperaturfasövergångar uppstår och hur man optimerar dem, dels genom att variera antalet lager i den tunna h-BN-filmen.

Forskningen, "Tryckinducerad bildning och mekaniska egenskaper hos 2-D diamantbornitrid, "vars författare inkluderar Angelo Bongiorno, professor i kemi vid City University of New York; Filippo Cellini, tidigare post doc i Riedos PicoForce Lab vid NYU Tandon; Elton Chen från Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, en docent i kemi- och biomolekylär teknik vid NYU Tandon; och Francesco Lavini och Filip Popovic, Ph.D. studenter i Riedos labb, visas som omslagsberättelsen i volym 8, Nummer 2 av tidskriften Avancerad vetenskap .

"När BN är i diamantfasen, hårdhet och styvhet ökar dramatiskt, och är, faktiskt, nästan lika hård som en traditionell koldiamant med förbättrad termisk och kemisk stabilitet, sade Riedo, "Men det kan normalt inte hittas i naturen. Bildning av kubisk bornitrid måste utföras i ett labb. Så vi gav oss i kast med att utforska fysiken och förståelsen för fasövergång från hexagonal till kubisk bornitrid i det speciella fallet med filmer som är atomärt tunn."

Lavini förklarade att arbetet involverade applicering av tryck på atomärt tunna h-BN-filmer med ett antal atomlager från ett till tio, med hjälp av ett atomkraftmikroskop (AFM). För att testa omfattningen av fasövergången från hexagonal till kubisk kristallin struktur, den nanoskopiska spetssonden AFM applicerar samtidigt tryck och mäter materialets elasticitet.

"En hög grad av styvhet visar fasövergången till diamantkristallstruktur. Detta är kritiskt eftersom det inte var klart innan den fasövergången till och med kunde ske vid rumstemperatur, ", förklarade han. "Eftersom hela fysiken för fasövergångar är annorlunda i ett 2-D "universum" upptäcker och omdefinierar vi några grundläggande materialregler. I detta tillstånd, till exempel, energibarriären för omvandling från hexagonal till kubisk fas är mycket mindre."

Experimenten och simuleringarna avslöjade också den optimala tjockleken för att uppnå övergången till c-BN:forskarna observerade ingen som helst fastransformation i monolager h-BN-filmer, medan två- och treskiktsfilmer visade 50 % ökning i styvhet när tryck applicerades av den nanoskopiska spetsen, en proxy för fasövergången h-BN-till-c-BN. Över tre lager, forskarna observerade en minskande grad av diamantfasövergång.

Genom simuleringar – som beskrivs i studien – upptäckte samarbetspartnerna också heterogenitet i fasövergången:istället för att spontan förändring till c-BN skedde jämnt under tryck, de fann att diamanter bildades i kluster, och utökade. De observerade också att ju större antalet lager av h-BN, desto mindre antal diamantkluster.

Riedo förklarade att fördelarna med 2-D BN-diamanter framför 2-D-koldiamanter (även känd som diamene) är anpassningsförmåga och potentiella tillverkningsekonomier. "Nyligen upptäckte vi att det är möjligt att inducera diamenbildning från grafen, dock, specifika typer av substrat eller kemikalier krävs, medan h-BN kan bilda diamanter på vilket underlag som helst i omgivande atmosfär. I allmänhet, Det är verkligen spännande att upptäcka exceptionella nya egenskaper i tryckinducerade diamantfaser i 2D-material", sa hon.

Riedo sa att nästa fas kommer att vända sig till tillämpad forskning, med mer storskaliga experiment på mekanisk resistans för specifika tillämpningar.