氮化硼（BN）納米薄膜材料與碳納米材料的結(jié)構(gòu)相似，六方氮化硼作為類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。氮化硼納米薄膜具有具有良好的耐高溫、抗氧化性能及良好的中子輻射屏蔽性能。除此之外，氮化硼還具有壓電性、高導(dǎo)熱、超疏水、超高層間粘滯摩擦力、催化及生物相容性等優(yōu)異的性能。因此，氮化硼納米薄膜材料在耐高溫、高強(qiáng)度功能復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
氮化硼結(jié)構(gòu)存在各種晶型。其中SP2雜化的六方氮化硼是一種白色具有潤滑性質(zhì)的多晶型材料，類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)。這種層狀結(jié)構(gòu)也可以斜方六面體的形式進(jìn)行堆垛。其他常見的結(jié)構(gòu)SP3雜化的立方氮化硼，其結(jié)構(gòu)類似金剛石，且是迄今已知第二硬的材料。氮化硼納米材料還有一種罕見的類似于六方碳的SP3雜化纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
圖1 氮化硼納米材料晶型結(jié)構(gòu)
低維氮化硼納米結(jié)構(gòu)呈多樣性，主要有納米薄膜、納米管、納米顆粒、納米帶、納米纖維、納米線等。其中，以具有二維結(jié)構(gòu)的氮化硼納米薄膜和納米管最引人關(guān)注。
圖2 氮化硼納米薄膜（單層，左圖）與納米管結(jié)構(gòu)（右圖）示意圖
氮化硼納米薄膜和納米管具有出眾的光學(xué)性能，適于制作深紫外發(fā)射器和各種光電納米器件。除此之外，氮化硼納米薄膜還具有壓電性、高導(dǎo)熱、超疏水、超高層間粘滯摩擦力、催化及生物相容性等優(yōu)異的性能。因此，氮化硼納米薄膜在耐高溫、高強(qiáng)度功能復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。
氮化硼納米薄膜材料制備方法與合成石墨烯相似，主要有機(jī)械剝離法、化學(xué)剝離、化學(xué)氣相沉積、高能電子輻照等。
機(jī)械剝離法制備氮化硼納米薄膜材料，首先是采用濕法球磨從氮化硼粉體上制備氮化硼納米薄片，將氮化硼薄膜剝離的作用力為剪切力。該法加入了苯甲酸芐酯作為球磨助劑，以減小球磨時對氮化硼薄膜的碰撞和破壞。
圖3 機(jī)械剝離法制備氮化硼納米薄膜材料示意圖
化學(xué)剝離法是利用化學(xué)溶液法從單晶氮化硼制備了單個和數(shù)個原子層氮化硼納米薄片。將單晶氮化硼放入5ml的m-苯乙烯、2，5-苯乙烯共聚物的1，2-二氯乙烷溶液（1.2mg/10ml）中超聲分散1h后，氮化硼晶體剝離成片狀氮化硼。
化學(xué)剝離法中需要加入強(qiáng)極性溶劑，例如N，N-二甲基甲酰胺（DMF），極性的DMF分子和氮化硼表面有強(qiáng)烈的相互作用，有助于獲得氮化硼納米薄片。通過化學(xué)剝離法，可以獲得毫克級別的純氮化硼納米薄片，且厚度均在2-10nm之間。
化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼納米薄膜主要分為外延生長和非外延生長。
（1）外延生長
外延生長制備氮化硼納米薄膜是采用二元系統(tǒng)先驅(qū)體（BF3-NH3、BCl3-NH3、B2H6-NH3），或者采用單一先驅(qū)體進(jìn)行熱解，例如環(huán)硼氮烷（BN3H6）、三氯環(huán)硼氮烷（B3N3H3Cl3）或者六氯環(huán)硼氮烷（B3N3H3Cl6）。其中，由環(huán)硼氮烷的熱解可以沉積出化學(xué)計(jì)量比為1:1的氮化硼薄膜。
瑞士蘇黎世大學(xué)的研究人員以銠為基體，在其上構(gòu)造出蜂巢狀的氮化硼（又稱“白色石墨烯”）納米網(wǎng)構(gòu)成，單層納米網(wǎng)厚度0.1納米，網(wǎng)間距3.2納米。通過改變單層碳化硼的原子角度，能夠在加電/不加電的情況下，實(shí)現(xiàn)從親水到疏水的轉(zhuǎn)變。具體而言，該材料可通過改變納米結(jié)構(gòu)，改變原子表面的靜態(tài)阻力（一種狀態(tài)是高粘滯的親水態(tài)、另一種狀態(tài)則是低粘滯的疏水態(tài)），進(jìn)而改變其親/疏水狀態(tài)。
圖4 蜂巢狀氮化硼納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（綠色球?yàn)榈印⒊壬驗(yàn)榕鹪?，灰色球?yàn)殂櫾印＜{米網(wǎng)層間距3.2納米）
上海微系統(tǒng)所研究人員采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在銅鎳合金基體上成功制備出單原子層高質(zhì)量石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)納米薄膜材料，并將其成功應(yīng)用于WSe2/MoS2二維光電探測器件。該方法利用銅鎳合金優(yōu)異的催化能力，在提高氮化硼單晶結(jié)晶質(zhì)量的同時消除了石墨烯的隨機(jī)成核，使得石墨烯晶疇只在三角狀h-BN單晶疇的頂角處形核并沿著h-BN邊取向生長。
圖5 單原子層高質(zhì)量石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)納米薄膜材料制備示意圖
目前，在金屬鎳表面上沉積單原子層六方氮化硼納米薄膜的研究較為熱門。研究表明，鎳的d軌道與六方氮化硼的π軌道存在很大程度的雜化，這說明在六方氮化硼和金屬基底之間有很強(qiáng)的結(jié)合。
（2）非外延生長
非外延生長以氧化硼（B2O3）和三聚氰胺粉體作為先驅(qū)體，通過控制不同的生長溫度（1100-1300℃），可將氮化硼薄膜的厚度控制在25-50nm之間。氮化硼納米薄膜材料的層數(shù)由反應(yīng)物的濃度決定。
高能電子輻照法制備氮化硼納米薄膜是以機(jī)械剝離法制備BN納米薄片或納米粉體為原料，采用用密集的電子束輻照對獲得的薄片和粉體進(jìn)行減薄。通過電子束的手動掃描，BN納米薄片被逐層減薄，直至獲得單原子層的BN納米薄膜材料。
離子束濺射沉積法制備氮化硼納米薄膜是以純度為99.5%的Ni箔為基底進(jìn)行六方氮化硼薄膜的沉積。首先將Ni箔由輔助離子源進(jìn)行原位預(yù)刻蝕，然后在1000℃下退火10min。然后在主離子源發(fā)出的氬離子束從六方氮化硼靶材上濺射出B原子和N原子，在預(yù)處理后的Ni箔上進(jìn)行沉積，制備氮化硼納米薄膜材料。
圖6 離子束濺射沉積法示意圖
1、催化材料
氮化硼納米薄膜是銀納米粒子良好的負(fù)載體，可催化促進(jìn)硝基酚還原成氨基酚。碘化銀/氮化硼納米復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的光催化活性，在廢水處理、污染物治理等方面具有良好的應(yīng)用前景。
2、生物材料
氮化硼納米薄膜材料具有更好的生物相容性，有望用于生物組織工程和醫(yī)療領(lǐng)域。瑞士蘇黎世大學(xué)在銠基體上構(gòu)造出蜂巢狀的氮化硼（又稱“白色石墨烯”）納米網(wǎng)，當(dāng)對材料施加電壓時，氮化硼納米網(wǎng)就會平整地鋪展開。該電控行為已經(jīng)在生物學(xué)上得到應(yīng)用，可用于細(xì)胞微觀層面的控制和處理，在創(chuàng)造新型復(fù)雜的人造多細(xì)胞排列等相關(guān)科學(xué)研究方面有較大的推動作用。此外，該研究也為構(gòu)造微毛細(xì)血管泵提供了技術(shù)基礎(chǔ)，可通過電信號對納米級管道中的壓力和流量進(jìn)行控制。
3、新型耐高溫復(fù)合材料
氮化硼納米薄膜材料具有化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性，且沒有懸掛鍵和表面電荷帶。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員制備了六方氮化硼/聚醚酰亞胺納米薄膜材料，其性能明顯優(yōu)于相關(guān)的競爭材料，其可使用的溫度正是電動汽車和航天動力應(yīng)用的需要。
4、鋰電池材料
氮化硼納米薄膜材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性，并且由于硼原子存在空的pz軌道，將其做為多功能添加劑加入到凝膠聚合物電解質(zhì)中，可固定電解質(zhì)中的陰離子而抑制極化，進(jìn)而可以有效抑制鋰枝晶的形成及生長，延長鋰金屬電池使用壽命。
5、光電/微電子材料
氮化硼納米薄膜材料是寬能帶隙半導(dǎo)體（5.0～6.0eV）、良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性以及原子級平整的表面，使其在光電/微電子具有廣闊的應(yīng)用前景。幾個原子層厚的多層氮化硼納米薄膜/石墨烯異質(zhì)結(jié)具有高的電荷遷移率，達(dá)到500000cm2.VS-1。立方氮化硼異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)則用于制備場效應(yīng)隧穿晶體管器件。
參考文獻(xiàn)：
1、徐久皎，氮化硼復(fù)合材料的制備及性能研究，山東大學(xué)學(xué)報。
2、楊雅萍，李斌，張長瑞等，類石墨烯結(jié)構(gòu)二維氮化硼材料：結(jié)構(gòu)特性、合成方法、性能及應(yīng)用，材料導(dǎo)報。
作者：樂心
