Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han descubierto una nueva fase del material nitruro de boro (Q-BN), que tiene aplicaciones potenciales tanto para herramientas de fabricación como para pantallas electrónicas. Los investigadores también han desarrollado una nueva técnica para crear nitruro de boro cúbico (c-BN) a temperatura ambiente y presión del aire. que tiene un conjunto de aplicaciones, incluido el desarrollo de tecnologías avanzadas de redes eléctricas.

"Esta es una secuela de nuestro descubrimiento de Q-carbon y de la conversión de Q-carbon en diamante, "dice Jay Narayan, el Profesor Distinguido de la Cátedra John C. Fan de Ciencia e Ingeniería de Materiales en NC State y autor principal de un artículo que describe la investigación. “Hemos pasado por alto lo que se pensaba que eran los límites de la termodinámica del nitruro de boro con la ayuda de la cinética y el control del tiempo para crear esta nueva fase del nitruro de boro.

"También hemos desarrollado una forma menos costosa de crear c-BN, haciendo que el material sea más viable para aplicaciones como la electrónica de alta potencia, transistores y dispositivos de estado sólido, "Dice Narayan." C-BN nanoagujas y microagujas, que se puede hacer con nuestra técnica, también tienen potencial para su uso en dispositivos biomédicos. "C-BN es una forma de nitruro de boro que tiene una estructura cristalina cúbica, análogo al diamante.

Las primeras pruebas indican que Q-BN es más duro que el diamante, y tiene una ventaja sobre el diamante cuando se trata de crear herramientas de corte. Diamante, como todo el carbono, reacciona con hierro y materiales ferrosos. Q-BN no lo hace. El Q-BN tiene una estructura amorfa, y se puede utilizar fácilmente para revestir herramientas de corte, evitando que reaccionen con materiales ferrosos.

"También hemos creado compuestos cristalinos de diamante / c-BN para aplicaciones de perforación en aguas profundas y mecanizado de alta velocidad de próxima generación, "Dice Narayan". Específicamente, hemos cultivado diamantes en c-BN mediante el uso de la deposición láser pulsada de carbono a 500 grados Celsius sin la presencia de hidrógeno, creando compuestos epitaxiales de diamante y c-BN ".

El Q-BN también tiene una función de trabajo baja y una afinidad electrónica negativa, lo que efectivamente significa que brilla en la oscuridad cuando se expone a niveles muy bajos de campos eléctricos. Estas características son las que lo convierten en un material prometedor para las tecnologías de visualización energéticamente eficientes.

Para hacer Q-BN, Los investigadores comienzan con una capa de nitruro de boro hexagonal termodinámicamente estable (h-BN), que puede tener hasta 500-1000 nanómetros de espesor. El material se coloca sobre un sustrato y los investigadores luego usan pulsos de láser de alta potencia para calentar rápidamente el h-BN a 2, 800 grados Kelvin, o 4, 580 grados Fahrenheit. Luego, el material se apaga, utilizando un sustrato que absorbe rápidamente el calor. Todo el proceso toma aproximadamente una quinta parte de un microsegundo y se realiza a presión de aire ambiente.

Al manipular el sustrato de siembra debajo del material y el tiempo que lleva enfriar el material, los investigadores pueden controlar si el h-BN se convierte en Q-BN o c-BN. Estas mismas variables se pueden utilizar para determinar si el c-BN se forma en microagujas, nanoneedles, nanodots, microcristales o una película.

"Con esta técnica, podemos crear hasta una película de 100 a 200 pulgadas cuadradas de Q-BN o c-BN en un segundo, "Dice Narayan.

En comparación, Las técnicas anteriores para crear c-BN requerían calentar el nitruro de boro hexagonal a 3, 500 grados Kelvin (5, 840 grados Fahrenheit) y aplicando 95, 000 atmósferas de presión.

C-BN tiene propiedades similares al diamante, pero tiene varias ventajas sobre el diamante:c-BN tiene una banda prohibida más alta, que es atractivo para su uso en dispositivos de alta potencia; c-BN se puede "dopar" para darle capas con carga positiva y negativa, lo que significa que podría usarse para hacer transistores; y forma una capa de óxido estable en su superficie cuando se expone al oxígeno, haciéndolo estable a altas temperaturas. Esta última característica significa que podría usarse para fabricar dispositivos de estado sólido y recubrimientos protectores para herramientas de mecanizado de alta velocidad utilizadas en entornos con ambiente de oxígeno.

"Somos optimistas de que nuestro descubrimiento se utilizará para desarrollar transistores basados ​​en c-BN y dispositivos de alta potencia para reemplazar transformadores voluminosos y ayudar a crear la próxima generación de la red eléctrica". "Dice Narayan.