I ricercatori della North Carolina State University hanno scoperto una nuova fase del materiale nitruro di boro (Q-BN), che ha potenziali applicazioni sia per gli strumenti di produzione che per i display elettronici. I ricercatori hanno anche sviluppato una nuova tecnica per creare nitruro di boro cubico (c-BN) a temperatura ambiente e pressione dell'aria, che ha una suite di applicazioni, compreso lo sviluppo di tecnologie avanzate di rete elettrica.

"Questo è un sequel della nostra scoperta del Q-carbon e della conversione del Q-carbon in diamante, "dice Jay Narayan, il John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering presso NC State e autore principale di un documento che descrive la ricerca. "Abbiamo aggirato quelli che si pensava fossero i limiti della termodinamica del nitruro di boro con l'aiuto della cinetica e del controllo del tempo per creare questa nuova fase del nitruro di boro.

"Abbiamo anche sviluppato un sistema più veloce, modo meno costoso per creare c-BN, rendendo il materiale più praticabile per applicazioni come l'elettronica ad alta potenza, transistor e dispositivi a stato solido, " Narayan dice. "Nanoaghi e microaghi C-BN, che si può realizzare con la nostra tecnica, hanno anche il potenziale per l'uso in dispositivi biomedici." C-BN è una forma di nitruro di boro che ha una struttura cristallina cubica, analogo al diamante.

I primi test indicano che il Q-BN è più duro del diamante, e ha un vantaggio rispetto al diamante quando si tratta di creare utensili da taglio. Diamante, come tutto il carbonio, reagisce con ferro e materiali ferrosi. Q-BN no. Il Q-BN ha una struttura amorfa, e può essere facilmente utilizzato per rivestire utensili da taglio, impedendo loro di reagire con materiali ferrosi.

"Abbiamo anche creato compositi cristallini diamante/c-BN per la lavorazione ad alta velocità di nuova generazione e applicazioni di perforazione in acque profonde, " Narayan dice. "In particolare, abbiamo coltivato diamante su c-BN utilizzando la deposizione laser pulsata di carbonio a 500 gradi Celsius senza la presenza di idrogeno, creazione di compositi epitassiali c-BN e diamante."

Il Q-BN ha anche una bassa funzione di lavoro e un'affinità elettronica negativa, il che significa effettivamente che si illumina al buio quando esposto a livelli molto bassi di campi elettrici. Queste caratteristiche sono ciò che lo rendono un materiale promettente per le tecnologie di visualizzazione ad alta efficienza energetica.

Per fare Q-BN, i ricercatori iniziano con uno strato di nitruro di boro esagonale termodinamicamente stabile (h-BN), che può avere uno spessore fino a 500-1000 nanometri. Il materiale viene posizionato su un substrato e i ricercatori utilizzano quindi impulsi laser ad alta potenza per riscaldare rapidamente l'h-BN a 2, 800 gradi Kelvin, o 4, 580 gradi Fahrenheit. Il materiale viene quindi temprato, utilizzando un substrato che assorbe rapidamente il calore. L'intero processo richiede circa un quinto di microsecondo e viene eseguito a pressione dell'aria ambiente.

Manipolando il substrato di semina sotto il materiale e il tempo necessario per raffreddare il materiale, i ricercatori possono controllare se l'h-BN viene convertito in Q-BN o c-BN. Queste stesse variabili possono essere utilizzate per determinare se il c-BN si forma in microaghi, nanoaghi, nanopunti, microcristalli o una pellicola.

"Utilizzando questa tecnica, siamo in grado di creare fino a un film da 100 a 200 pollici quadrati di Q-BN o c-BN in un secondo, " dice Narayan.

A confronto, le tecniche precedenti per creare c-BN richiedevano il riscaldamento del nitruro di boro esagonale a 3, 500 gradi Kelvin (5, 840 gradi Fahrenheit) e applicando 95, 000 atmosfere di pressione.

C-BN ha proprietà simili al diamante, ma ha diversi vantaggi rispetto al diamante:il c-BN ha un bandgap più alto, che è attraente per l'uso in dispositivi ad alta potenza; c-BN può essere "drogato" per dargli strati caricati positivamente e negativamente, il che significa che potrebbe essere utilizzato per realizzare transistor; e forma uno strato di ossido stabile sulla sua superficie quando esposto all'ossigeno, rendendolo stabile alle alte temperature. Quest'ultima caratteristica ne consente l'utilizzo per la realizzazione di dispositivi allo stato solido e rivestimenti protettivi per utensili di lavorazione ad alta velocità utilizzati in ambienti ossigeno-ambiente.

"Siamo ottimisti sul fatto che la nostra scoperta verrà utilizzata per sviluppare transistor basati su c-BN e dispositivi ad alta potenza per sostituire trasformatori ingombranti e contribuire a creare la prossima generazione della rete elettrica, " dice Narayan.