La compréhension des processus de croissance des matériaux à deux dimensions (2D) revêt une importance particulière pour l’innovation technologique. Parmi eux, le nitrure de bore hexagonal (hBN) se distingue par ses propriétés uniques. Des chercheurs ont récemment exploré comment maîtriser sa formation sur des substrats métalliques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’électronique, l’énergie et la chimie verte.
Une étude de l’Université de Surrey a décodé les processus de croissance du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau 2D, et de ses nanostructures sur des substrats métalliques. Ces recherches ont été publiées avec pour objectif d’améliorer l’efficacité des dispositifs électroniques, de proposer des solutions d’énergie plus propres et de favoriser des procédés de fabrication chimique plus respectueux de l’environnement.
Le hBN, souvent surnommé «graphène blanc», est un matériau ultra-fin et extrêmement résilient. Il se caractérise par sa capacité à bloquer les courants électriques, à supporter des températures extrêmes et à résister aux dommages chimiques. Ces propriétés en font un composant précieux pour l’électronique avancée, où il peut protéger des microcircuits délicats et faciliter le développement de transistors plus rapides et plus efficaces.
La formation de hBN nanoporeux
Les chercheurs ont également démontré la formation de hBN nanoporeux, un matériau innovant doté de vides structurés qui permettent une absorption sélective, une catalyse avancée et une fonctionnalité améliorée. Ces caractéristiques élargissent considérablement les applications potentielles de hBN dans le domaine environnemental, notamment pour la détection et la filtration des polluants, ainsi que pour l’amélioration des systèmes énergétiques avancés comme le stockage de l’hydrogène et les catalyseurs électrochimiques pour les piles à combustible.
Dr Marco Sacchi, auteur principal de l’étude et professeur associé à l’école de chimie et génie chimique de Surrey, a précisé : « Notre recherche éclaire les processus à l’échelle atomique qui régissent la formation de ce matériau remarquable et de ses nanostructures. » Par une compréhension approfondie de ces mécanismes, des matériaux sont en mesure d’être conçus avec une précision sans précédent, optimisant leurs propriétés pour une multitude de technologies.
En collaboration avec l’Université de Technologie de Graz en Autriche, l’équipe, sous la direction de Dr Marco Sacchi et avec le travail théorique réalisé par Dr Anthony Payne et Dr Neubi Xavier, a combiné la théorie de la fonctionnelle de la densité et la modélisation microcinétique. Ils ont ainsi cartographié le processus de croissance du hBN à partir de précurseurs de borazine, en examinant des processus moléculaires clés comme la diffusion, la décomposition, l’adsorption et la désorption, la polymérisation et la déshydrogénation. Cette approche leur a permis de développer un modèle à l’échelle atomique permettant la croissance du matériau à toute température.
Validation et perspectives
Les résultats des simulations théoriques coïncident étroitement avec les observations expérimentales du groupe de recherche de Graz, établissant les bases pour une production contrôlée et de haute qualité de hBN avec des designs et fonctionnalités spécifiques.
Dr Anton Tamtögl, chercheur principal du projet à TU Graz, a expliqué : « Les études précédentes n’ont ni considéré tous ces intermédiaires ni un espace de paramètres aussi vaste (température et densité de particules). » Il a souligné que leurs recherches pourraient guider la croissance par dépôt chimique en phase vapeur de hBN sur d’autres substrats métalliques, ainsi que la synthèse de structures nanoporeuses ou fonctionnalisées.
Légende illustration : Découverte d’un nouveau matériau 2D hBN « nanoporeux. Crédit : U. Surrey
Article : ‘Unravelling the Epitaxial Growth Mechanism of Hexagonal and Nanoporous Boron Nitride: A First-Principles Microkinetic Model’ / ( 10.1002/smll.202405404 ) – University of Surrey – Publication dans la revue Small
Source : U. Surrey
