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Trennung von Wasserstoff in hexagonale Bornitrid-Zwischenschichtblasen durch Plasmabehandlung

Jul 12, 2019

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist ein zweidimensionales Schichtmaterial mit hoher thermischer und chemischer Stabilität. In dieser Arbeit haben Forscher gezeigt, dass Wasserstoff oder Wasserstoff, der von Kohlenwasserstoffen abgetrennt wird, im Van-der-Waals-Zwischenschichtraum von h-BN eingeschlossen und eingeschlossen werden kann, während die Oberfläche von h-BN unter Bildung von Blasen verzerrt wird. Die Forschungsergebnisse liefern eine neue Idee und ein neues Schema für die Herstellung neuer mikro-nanomechanischer Systeme und die Erforschung der "Gewinnung und Speicherung" von Wasserstoff.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist ein zweidimensionales Schichtmaterial mit hervorragenden Eigenschaften, das durch die Überschneidung von Boratomen und Stickstoffatomen entsteht. Von allen bekannten zweidimensionalen Materialfamilien ist h-BN der einzige Halbleiter mit großer Bandlücke (oder als Isolator betrachtet, Eg = ~ 5,9 eV). Dieser Vorteil macht h-BN zusammen mit seiner flachen Oberfläche auf atomarer Ebene zu einem idealen Isolierschichtmaterial für MOS-Bauelemente. Darüber hinaus weist h-BN auch bei 1100 ° C eine gute chemische und thermische Stabilität auf, was es zu einem idealen antioxidativen Schichtmaterial macht. Im Vergleich zu Graphen kann Graphen an der Luft bei der höchsten Temperatur von 500 ° C und einschichtiges h-BN an der Luft bei der höchsten Temperatur von 800 ° C stabilisiert werden, wodurch die ultradünne Hochtemperatur entsteht oxidationsbeständige Schicht möglich.

Andererseits ist h-BN ein ausgezeichnetes flexibles zweidimensionales Material. Hochwertige h-BN-Filme besitzen einen Elastizitätsmodul von ~ 0,85 TPa und eine Bruchfestigkeit von ~ 70 GPa. Die Folie kann mehr als 20% Zugfestigkeit aushalten. Dies macht h-BN in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) populär. Ähnlich wie Graphen kann die Monoschicht h-BN bei atmosphärischem Druck gute Dichtungseigenschaften für fast alle Atome und Gasmoleküle aufrechterhalten. Nur wenn das Wasserstoffatom beschleunigt ist und über genügend kinetische Energie verfügt, kann es das Gitter der h-BN-Ebene erfolgreich durchqueren. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen die Herstellung einer Blasenstruktur auf einer h-BN-Oberfläche. In den letzten Jahren gab es viele Berichte darüber, wie das Gas in den Rissen zwischen Graphen und Substrat eingeschlossen werden kann. Durch die Bildung von Blasen auf der Oberfläche von Graphen kann die Bindungsenergie zwischen Graphenfilm und Substrat genau gemessen werden. Darüber hinaus können Graphenblasen auch häufig in lasergesteuerten Nanomotoren und in Mikrolinsen mit variabler spannungsgesteuerter Krümmung (Brennweite) eingesetzt werden.

Diese neuartigen und interessanten Anwendungen haben sich jedoch nie auf h-BN konzentriert, ein zweidimensionales Material mit einer hexagonalen Gitterstruktur ähnlich wie Graphen. In der Tat ist h-BN im Vergleich zu Graphen ein ausgeprägtes Isoliermaterial mit besserer chemischer und thermischer Stabilität, wodurch die Aufbringung von h-BN-Blasen im Extremfall umfangreicher wird als die von Graphenblasen.

Bisher gab es viele Berichte über die Plasmabehandlung von zweidimensionalen Materialien. Die meisten Arbeiten befassen sich jedoch mit dem Wachstum von Niedertemperaturmaterialien, Oberflächenätzen und Oberflächenhydrierung. Unsere Arbeit beweist, dass die mit Wasserstoffplasma (oder Methan / Acetylen-Plasma) behandelten h-BN-Proben einige Wasserstoffmoleküle im Zwischenschichtraum isolieren und die Oberfläche von h-BN unter Bildung von Blasen verzerren können. Der Durchmesser dieser Blasen kann im Bereich von zehn Nanometern bis Mikrometern gesteuert werden. Die Wasserstoffmoleküle in diesen Blasen werden vor dem Eintritt in die Zwischenschicht als im Plasmazustand befindlich angesehen und in Wasserstoffatome oder Protonen umgewandelt. Dann werden sie in der h-BN-Zwischenschicht zu Wasserstoffmolekülen rekonstituiert, die auf die Wasserstoffmoleküle beschränkt sind und aufgrund ihrer größeren Größe als die Gitterkonstante von h-BN Oberflächenblasen bilden. Diese Arbeit bietet eine neue Methode zur Herstellung von Blasen mit steuerbarer Größe auf h-BN (oder anderen zweidimensionalen Materialien) und eine effektive Methode zur Extraktion und Speicherung von Wasserstoff im Mikro- und Nanomaßstab.

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