Forskare vid North Carolina State University har upptäckt en ny fas av materialet bornitrid (Q-BN), som har potentiella tillämpningar för både tillverkningsverktyg och elektroniska displayer. Forskarna har också utvecklat en ny teknik för att skapa kubisk bornitrid (c-BN) vid omgivningstemperaturer och lufttryck, som har en uppsättning applikationer, inklusive utveckling av avancerad elnätsteknik.

"Detta är en uppföljare till vår upptäckt av Q-kol och att omvandla Q-kol till diamant, " säger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering vid NC State och huvudförfattare till en artikel som beskriver forskningen. "Vi har kringgått vad man trodde var gränserna för bornitrids termodynamik med hjälp av kinetik och tidskontroll för att skapa denna nya fas av bornitrid.

"Vi har också utvecklat en snabbare, billigare sätt att skapa c-BN, göra materialet mer lönsamt för tillämpningar som högeffektelektronik, transistorer och halvledarenheter, " Narayan säger. "C-BN nanonålar och mikronålar, som kan göras med vår teknik, har också potential för användning i biomedicinska apparater." C-BN är en form av bornitrid som har en kubisk kristallin struktur, analogt med diamant.

Tidiga tester visar att Q-BN är hårdare än diamant, och det har en fördel jämfört med diamant när det gäller att skapa skärande verktyg. Diamant, som allt kol, reagerar med järn och järnhaltiga material. Det gör inte Q-BN. Q-BN har en amorf struktur, och den kan lätt användas för att belägga skärverktyg, hindrar dem från att reagera med järnhaltiga material.

"Vi har också skapat diamant/c-BN kristallina kompositer för nästa generations höghastighetsbearbetning och djuphavsborrning, " Narayan säger. "Närmare bestämt, vi har odlat diamant på c-BN genom att använda pulsad laseravsättning av kol vid 500 grader Celsius utan närvaro av väte, skapa c-BN och diamantepitaxialkompositer."

Q-BN har också en låg arbetsfunktion och negativ elektronaffinitet, vilket effektivt betyder att den lyser i mörker när den utsätts för mycket låga nivåer av elektriska fält. Dessa egenskaper är det som gör det till ett lovande material för energieffektiva displaytekniker.

För att göra Q-BN, forskare börjar med ett lager av termodynamiskt stabil hexagonal bornitrid (h-BN), som kan vara upp till 500-1000 nanometer tjock. Materialet placeras på ett substrat och forskare använder sedan högeffektlaserpulser för att snabbt värma upp h-BN till 2, 800 grader Kelvin, eller 4, 580 grader Fahrenheit. Materialet kyls sedan, med ett substrat som snabbt absorberar värmen. Hela processen tar ungefär en femtedel av en mikrosekund och görs vid omgivande lufttryck.

Genom att manipulera såsubstratet under materialet och den tid det tar att kyla materialet, forskare kan kontrollera om h-BN konverteras till Q-BN eller c-BN. Samma variabler kan användas för att bestämma om c-BN bildas till mikronålar, nanonålar, nanodots, mikrokristaller eller en film.

"Med den här tekniken, vi kan skapa upp till en 100- till 200-kvadrat-tums film av Q-BN eller c-BN på en sekund, " säger Narayan.

Som jämförelse, tidigare tekniker för att skapa c-BN krävde uppvärmning av hexagonal bornitrid till 3, 500 grader Kelvin (5, 840 grader Fahrenheit) och tillämpa 95, 000 atmosfärers tryck.

C-BN har liknande egenskaper som diamant, men har flera fördelar jämfört med diamant:c-BN har ett högre bandgap, som är attraktiv för användning i högeffektsenheter; c-BN kan "dopas" för att ge det positivt och negativt laddade lager, vilket betyder att den kan användas för att tillverka transistorer; och det bildar ett stabilt oxidlager på sin yta när det utsätts för syre, vilket gör den stabil vid höga temperaturer. Denna sista egenskap innebär att den kan användas för att tillverka solid state-enheter och skyddande beläggningar för höghastighetsbearbetningsverktyg som används i syremiljöer.

"Vi är optimistiska att vår upptäckt kommer att användas för att utveckla c-BN-baserade transistorer och högeffektsenheter för att ersätta skrymmande transformatorer och hjälpa till att skapa nästa generation av elnätet, " säger Narayan.