Small Structures:氮化硼异质结材料的研究进展

综述了二维氮化硼异质结材料的理论和实验研究进展,概述了氮化硼相关异质结材料的制备方法、功能机理和工程应用,并指出了目前该领域存在的挑战和未来的发展机遇。

1、研究背景:

六方氮化硼(h-BN)是一种晶格结构与石墨烯相似的二维层状宽带隙绝缘材料,可将其视为石墨烯中的碳原子被替换为硼、氮原子,故而h-BN晶体常被称为“白石墨”。h-BN除了具有通常二维材料的特点以外,还在力学、光学、电学和热稳定等方面具有独特的优势,因此,h-BN的性质和应用也得到了广泛研究。与此同时,2D h-BN纳米片可以作为介电材料、隧穿材料和保护材料等与半导体材料、贵金属材料、量子点以及其他二维材料形成各式各样的多功能异质结,从而展现出各种增强的和新颖的性能,在光电器件、能源催化、机械装备和高分子等领域受到科学界的高度重视。

2、文章概述:

近日,意大利萨萨里大学任俊凯(Junkai Ren,第一作者)和易诺晨教授(Plinio Innocenzi,通讯作者)综述了二维氮化硼异质结材料近几年的理论和实验研究进展,概述了2D h-BN相关异质结材料的制备方法、功能机理和工程应用,并指出了目前该领域存在的挑战和未来的发展机遇。为了描述不同的BN异质结,作者根据不同的材料属性将其主要分为三类进行讨论:①氮化硼-金属化合物异质结,②氮化硼-非金属化合物异质结,③氮化硼-范德华异质结;并且着重讨论了构造方法的先进性、结构缺陷存在的意义与问题,以及异质界面的形成与作用。

根据CRUI-CARE协议,该综述以Open Access的形式发表在Wiley旗下Small Structures杂志上,相关工作得到了萨萨里大学(UniSS)、卡利亚里大学(UniCA)和材料科学技术国立大学联合会(CR- INSTM)的大力支持,并得到了撒丁岛银行MADMAT项目基金和大学自由基金的资助。

3、内容提要:

作者认为在不同的的材料与h-BN结合形成异质结构的时候,需要考虑如何控制特定界面的形成、缺陷的引入或者减少,从而得到具有全新光学和电子特性的新材料。

具体来讲,所合成或者剥离的2D h-BN材料通常带有负电特性,可以成为异质结中的载流子受体;纳米尺度h-BN的大比表面积和B-N极性共价键能够为形成具有更多活性位点的异质结构提供保障。作者指出在这类异质结中,如何有效引入和控制h-BN中的缺陷是一个关键过程,特别是羟基和氧化缺陷。这些缺陷官能团有利于异质界面处B-O-M或者B-M化学键的形成(M=Ti, Zn, Bi, Mn, Fe, etc.),可以改善材料结构的稳定性,加速光生电子-空穴的复合速率,从而提高界面的催化等功能。

另一方面,2D h-BN是一种关键的二维绝缘体,可以广泛用于范德华异质结构的基底、栅极电介质和惰性封装层材料。作者强调在这类异质结中,制备高品质、少缺陷的2D h-BN是十分重要的,因为完美的h-BN结构可以使其导热性、电绝缘性和化学稳定性等属性得到最大化的展现。

与此同时,h-BN的良好导热性有利于材料的散热,从而减少异质结器件的热诱导损伤;此外,异质材料还可以进一步增强和调控h-BN的特性,比如量子发射、室温荧光和能级带隙。

4、挑战与机遇:

2D h-BN异质结材料是一类新兴的研究领域,涉及到物理学、化学、材料学和光电工程等多学科,近几年受到了科学家的广泛关注。尽管h-BN异质结的研究已经逐渐发展为一个成熟的交叉研究领域,但是仍然存在许多挑战。

例如,很多研究把2D h-BN用于光电催化中,但是h-BN本身并没有表现出优异的光电催化活性。所以,这类应用的研究仍需要进一步的深入探索,特别是h-BN中缺陷的作用。不得不说明的是,二硫化钨和二硫化钼等二维材料本身就具有优异的内在光电催化活性,相比于h-BN,它们仍然是此类应用的更佳选择。

另一个挑战与h-BN制造技术有关;无论我们是需要高品质少缺陷的BN层,还是富含缺陷的BN纳米片,这些都将受到制造技术的制约。到目前为止,制造技术还不允许获得层数非常可控的h-BN纳米片,尺寸维度通常也是根据平均值来定义的,可控缺陷的引入更是一个仍待解决的难点。

机遇与挑战总是并存的。虽然面临诸多挑战,但是我们已经成功打开了h-BN异质结领域的研究大门。越来越多的BN异质结被合成与探索,越来越多的理论被提出并被进一步验证;近年来,h-BN同质结也引起了研究人员的注意,这同样也为异质结材料的设计提供了新的借鉴。

论文信息:

2D Boron Nitride Heterostructures: Recent Advances and Future Challenges

Junkai Ren and Plinio Innocenzi*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100068

原文链接:https://doi.org/10.1002/sstr.202100068