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| 名前 | |
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| IUPAC名
窒化ホウ素
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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.030.111 |
| EC番号 |
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| 216 | |
| メッシュ | エルボル |
パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| B N | |
| モル質量 | 24.82 グラム/モル |
| 外観 | 無色の結晶 |
| 密度 | 2.1 g/cm 3 (h-BN); 3.45 g/cm 3 (c-BN) |
| 融点 | 2,973 °C (5,383 °F; 3,246 K) 昇華物 (c-BN) |
| 不溶性 | |
| 電子移動度 | 200 cm 2 /(V·s) (c-BN) |
屈折率( n D )
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1.8 (h-BN); 2.1 (c-BN) |
| 構造 | |
| 六方晶、閃亜鉛鉱、ウルツ鉱 | |
| 熱化学 | |
熱容量 ( C )
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19.7 J/(K·モル) [1] [2] |
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
14.8 J/K モル[1] [2] |
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−254.4 kJ/モル[1] [2] |
ギブスの自由エネルギー (Δ f G ⦵ )
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−228.4 kJ/モル[1] [2] |
| 危険 | |
| GHSラベル: | |
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| 警告 | |
| H319、H335、H413 | |
| P261、P264、P271、P273、P280、P304+P340、P305+P351+P338、P312、P337+P313、P403+P233、P405、P501 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
| 関連化合物 | |
関連化合物
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特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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窒化ホウ素は、化学式BNのホウ素と窒素の耐熱性および耐薬品性化合物である。同様の構造の炭素格子と等電子的な様々な結晶形態で存在する。グラファイトに相当する六方晶はBN多形の中で最も安定しており柔らかいため、潤滑剤や化粧品の添加物として使用される。ダイヤモンドに類似した立方晶（閃亜鉛鉱または閃亜鉛鉱構造）の変種はc-BNと呼ばれ、ダイヤモンドよりも柔らかいが、熱的および化学的安定性が優れている。まれなウルツ鉱型のBN変種はロンズデーライトに似ているが、立方晶よりもわずかに柔らかい。[3]
窒化ホウ素セラミックスは、優れた熱安定性と化学的安定性を備えているため、高温装置や金属鋳造に使用されています。窒化ホウ素は、ナノテクノロジーにも応用できる可能性があります。
歴史
窒化ホウ素は、1842年にリバプール研究所の化学教師ウィリアム・ヘンリー・バルメインシアン化カリウムの存在下で木炭によるホウ酸の還元によって発見されました。[4]
構造
窒化ホウ素は、ホウ素原子と窒素原子の配置が異なる複数の形態で存在し、材料のバルク特性が異なります。
非晶質形態（a-BN）
非晶質窒化ホウ素（a-BN）は非結晶性であり、原子の配列に長距離規則性がありません。非晶質炭素に類似しています。
その他の形態の窒化ホウ素はすべて結晶です。
六方晶系（h-BN）
最も安定した結晶形態は六方晶であり、h-BN、α-BN、g-BN、グラファイト窒化ホウ素、および「ホワイトグラフェン」とも呼ばれます。六方晶窒化ホウ素 (点群 = D 3h、空間群 = P6 3 /mmc) は、グラファイトに似た層状構造をしています。各層内では、ホウ素原子と窒素原子は強い共有結合で結びついていますが、層は弱いファンデルワールス力で結合しています。ただし、これらのシートの層間の「位置」は、原子が重なり合ってホウ素原子が窒素原子の上に位置するため、グラファイトで見られるパターンとは異なります。この位置は、B-N 結合の局所的な極性と、層間の N ドナー/B アクセプター特性を反映しています。同様に、異なる積層ポリタイプで構成される多くの準安定形態が存在します。したがって、h-BNとグラファイトは非常に近接しており、この材料は炭素を置換基として受け入れてBNCを形成できます。炭素が一部のB原子とN原子を置換したBC 6 Nハイブリッドが合成されています。 [5]六方晶窒化ホウ素単層はグラフェンに類似しており、ほぼ同じ寸法のハニカム格子構造を持っています。黒くて電気伝導体であるグラフェンとは異なり、h-BN単層は白くて絶縁体です。原子平面絶縁基板または2Dエレクトロニクスのトンネル誘電体バリアとして使用することが提案されています。。[6]
立方晶系（c-BN）
立方晶窒化ホウ素はダイヤモンドに似た結晶構造を持っています。ダイヤモンドがグラファイトより不安定であることと一致して、立方晶は六方晶より不安定ですが、2つの結晶間の変換率はダイヤモンドの場合と同様に室温ではごくわずかです。立方晶は閃亜鉛鉱結晶構造（空間群 = F 4 3m）を持ち、ダイヤモンドと同じ構造（B原子とN原子が整列）で、β-BNまたはc-BNとも呼ばれます。
ウルツ鉱型（w-BN）
ウルツ鉱型の窒化ホウ素（w-BN、点群 = C 6v、空間群 = P6 3 mc）は、炭素の珍しい六方晶系多形であるロンズデーライトと同じ構造をしている。立方晶型と同様に、ホウ素原子と窒素原子は四面体を形成している。[7]ウルツ鉱型では、ホウ素原子と窒素原子は6員環を形成している。立方晶型ではすべての環が椅子型配置であるのに対し、w-BNでは「層」間の環は船型配置となっている。以前の楽観的な報告では、ウルツ鉱型は非常に強度が高いと予測され、シミュレーションではダイヤモンドよりも18%強度が高い可能性があると推定された。この鉱物は自然界に少量しか存在しないため、これはまだ実験的に検証されていない。[8]硬度は46GPaで、市販のホウ化物よりわずかに硬いが、立方晶窒化ホウ素よりは柔らかい。[3]
-side-3D-balls.png/500px-Boron-nitride-(hexagonal)-side-3D-balls.png)
-3D-balls.png/500px-Boron-nitride-(sphalerite)-3D-balls.png)
-3D-balls.png/500px-Boron-nitride-(wurtzite)-3D-balls.png)
プロパティ
物理的な
h-BN の BN 層の部分的なイオン構造により、共有結合性と電気伝導性が低下しますが、層間相互作用が増加するため、h-BN はグラファイトに比べて硬度が高くなります。六方晶 BN の電子非局在化の減少は、無色でバンドギャップが大きいことでも示されます。結合が非常に異なるため (基底面(ホウ素原子と窒素原子が共有結合している平面)内では共有結合が強く、基底面間では弱い)、h-BN のほとんどの特性に高い異方性が生じます。
たとえば、硬度、電気伝導性、熱伝導性は、平面内では垂直方向よりもずっと高くなります。逆に、c-BN と w-BN の特性はより均質かつ等方的です。
これらの材料は非常に硬く、バルクc-BNの硬度はダイヤモンドよりわずかに低く、w-BNはさらに高い。[18]粒径が10nm程度の多結晶c-BNは、ダイヤモンドと同等かそれ以上のビッカース硬度を持つことも報告されている。[19]熱や遷移金属に対する安定性がはるかに優れているため、c-BNは鋼の加工などの機械用途ではダイヤモンドを上回っている。[20] BNの熱伝導率は、すべての電気絶縁体の中で最も高い部類に入る（表を参照）。
窒化ホウ素は、ベリリウムでp型に、ホウ素、硫黄、シリコンでn型にドープすることができ、炭素と窒素を共ドープすることもできます。[14]六方晶と立方晶のBNはどちらもワイドギャップ半導体で、バンドギャップエネルギーは紫外線領域に対応しています。h-BN [21] [22]またはc-BN [23]に電圧を印加すると、215～250 nmの範囲で紫外線を放射するため、発光ダイオード（LED）やレーザーとして使用できる可能性があります。
窒化ホウ素の融解挙動についてはほとんど知られていない。2973℃で分解するが、高圧下では融解する。[24] [25]
熱安定性
六方晶系および立方晶系の BN (およびおそらく w-BN) は、化学的および熱的に優れた安定性を示します。たとえば、h-BN は空気中では 1000 °C、真空中では 1400 °C、不活性雰囲気中では 2800 °C までの温度で分解に対して安定しています。h-BN と c-BN の反応性は比較的似ており、c-BN のデータは以下の表にまとめられています。
c-BNの熱安定性は以下のようにまとめられる: [14]
- 空気または酸素中: B 2 O 3保護層が約 1300 °C までさらなる酸化を防ぎ、1400 °C では六方晶系への変換はありません。
- 窒素中：12時間後、1525℃でh-BNに若干変換されます。
- 真空中（10 −5 Pa ): 1550～1600 °Cでh-BNに変換されます。
化学的安定性
窒化ホウ素は通常の酸には侵されないが、LiOH、KOH、NaOH - Na 2 CO 3、NaNO 3、Li 3 N、Mg 3 N 2、Sr 3 N 2、Ba3N2、Li3BN2などのアルカリ溶融塩や窒化物には溶けるため、BNのエッチングに使用されている。[14]
熱伝導率
六方晶窒化ホウ素ナノリボン（BNNR）の理論的な熱伝導率は1700～2000 W /（m ⋅ K ）に近づくことがあり、これはグラフェンの実験測定値と同じ桁であり、グラフェンナノリボンの理論計算と比較することができます。[26] [27]さらに、BNNR内の熱輸送は異方性です。ジグザグエッジBNNRの熱伝導率は、室温でアームチェアエッジナノリボンの熱伝導率よりも約20％大きくなります。[28]
機械的性質
BNナノシートは六方晶窒化ホウ素（h-BN）から構成されています。空気中で800℃まで安定です。単層BNの構造はグラフェンの構造に似ており、非常に強度が高く、[29]高温潤滑剤や電子機器の基板として使用されています。[30]
ヤング率とポアソン比の異方性はシステムのサイズに依存します。[31] h-BNは強い異方性の強度と靭性も示し、[32]これらは空孔欠陥の範囲にわたって維持され、異方性が欠陥の種類に依存しないことを示しています。
自然発生
2009年、チベットで立方晶系（c-BN）が報告され、青松石という名前が提案されました。この物質は、クロムを豊富に含む岩石に分散したミクロンサイズの包有物として発見されました。2013年、国際鉱物学協会がこの鉱物と名前を承認しました。[33] [34] [35] [36]
合成
六方晶BNの調製と反応性
六方晶窒化ホウ素は、三酸化ホウ素（B 2 O 3）またはホウ酸（H 3 BO 3）を不活性雰囲気中でアンモニア（NH 3）または尿素（CO（NH 2）2 ）で処理することによって得られる： [37]
- B 2 O 3 + 2 NH 3 → 2 BN + 3 H 2 O ( T = 900 °C)
- B(OH) 3 + NH 3 → BN + 3 H 2 O ( T = 900 °C)
- B 2 O 3 + CO(NH 2 ) 2 → 2 BN + CO 2 + 2 H 2 O ( T > 1000 °C)
- B 2 O 3 + 3 CaB 6 + 10 N 2 → 20 BN + 3 CaO ( T > 1500 °C)
得られた無秩序（非晶質）材料には、92～95％のBNと5～8％のB 2 O 3が含まれています。残りのB 2 O 3は、第2段階で1500℃以上の温度で蒸発させ、BN濃度を98％以上にすることができます。このようなアニールによりBNも結晶化し、結晶子のサイズはアニール温度とともに大きくなります。[20] [38]
h-BN部品は、ホットプレスとその後の機械加工によって安価に製造できる。部品は、圧縮性を高めるためにホウ素酸化物を添加した窒化ホウ素粉末から作られる。窒化ホウ素の薄膜は、ボラジンから化学蒸着によって得られる。[39] ZYPコーティングはまた、表面に塗布できる窒化ホウ素コーティングを開発している。ホウ素粉末を窒素プラズマ中で5500℃で燃焼させると、潤滑剤やトナーに使用される超微細窒化ホウ素が得られる。[40]
窒化ホウ素はフッ化ヨウ素と反応して低収率でNI3を与える。 [41]窒化ホウ素はリチウム、アルカリ土類金属、ランタニドの窒化物と反応してニトリドボレートを 形成する。[42]例えば：
- Li 3 N + BN → Li 3 BN 2
六方晶BNのインターカレーション
六方晶BNにはNH3インターカレート[43]やアルカリ金属[44]など様々な種がインターカレートする。
立方晶BNの作製
c-BNは、グラファイトから合成ダイヤモンドを製造する方法に類似した方法で製造される。六方晶窒化ホウ素から立方晶への直接変換は、5～18GPaの圧力と1730～3230℃の温度で観察されており、これは直接グラファイトからダイヤモンドへの変換の場合と同様のパラメータである。[45]少量の酸化ホウ素を添加すると、必要な圧力を4～7GPa、温度を1500℃まで下げることができる。ダイヤモンド合成の場合と同様に、変換圧力と温度をさらに下げるために、リチウム、カリウム、マグネシウム、それらの窒化物、それらのフッ化窒化物、アンモニウム化合物を含む水、ヒドラジンなどの触媒が添加される。[46] [47]ダイヤモンドの成長から借用した他の工業的合成方法では、温度勾配での結晶成長、または爆発衝撃波を使用する。衝撃波法は、ホウ素、炭素、窒素の超硬化合物であるヘテロダイヤモンドと呼ばれる材料の製造に使用されている。 [48]
立方晶窒化ホウ素の薄膜を低圧で堆積させることが可能である。ダイヤモンドの成長と同様に、主な問題は六方晶相（それぞれh-BNまたはグラファイト）の成長を抑制することである。ダイヤモンドの成長では水素ガスを加えることでこれを実現するが、 c-BNでは三フッ化ホウ素が使用される。イオンビーム堆積、プラズマ化学蒸着、パルスレーザー堆積、反応性スパッタリング、その他の物理蒸着法も使用される。[49]
ウルツ鉱型BNの作製
ウルツ鉱型BNは、静的高圧法または動的衝撃法によって得られる。[50]その安定性の限界は明確に定義されていない。c-BNとw-BNはどちらもh-BNを圧縮することによって形成されるが、w-BNの形成は1700℃近くのはるかに低い温度で起こる。[46]
生産統計
BN合成に使用される原材料であるホウ酸と三酸化ホウ素の生産量と消費量はよく知られているが（ホウ素を参照）、窒化ホウ素の生産量と消費量は統計報告書に記載されていない。1999年の世界生産量は300～350トンと推定されている。BNの主な生産国と消費国は米国、日本、中国、ドイツである。2000年の価格は、標準的な工業用h-BNで約75～120ドル/kg、高純度BNグレードでは約200～400ドル/kgであった。[37]
アプリケーション
六角形BN
六方晶BN（h-BN）は、最も広く使用されている多形です。低温と高温（酸化雰囲気でも900℃まで）の両方で優れた潤滑剤です。h-BN潤滑剤は、グラファイト（代替潤滑剤）の電気伝導性または化学反応性が問題となる場合に特に役立ちます。グラファイトが酸化されて炭素スラッジに変わる可能性がある内燃機関では、優れた熱安定性を持つh-BNをエンジン潤滑剤に追加できます。すべてのナノ粒子懸濁液と同様に、ブラウン運動による沈降が問題となります。沈降によりエンジンオイルフィルターが詰まる可能性があるため、燃焼エンジンでの固体潤滑剤の用途は、エンジンの再構築が一般的である自動車レースに限定されます。炭素は特定の合金（鋼など）にかなり溶解するため、特性の劣化につながる可能性があるため、BNは高温および/または高圧の用途に優れていることがよくあります。グラファイトに対するh-BNのもう1つの利点は、その潤滑性には層間に閉じ込められた水またはガス分子が必要ないことです。そのため、h-BN潤滑剤は宇宙用途などの真空中で使用することができます。微粒子h-BNの潤滑特性は、化粧品、塗料、歯科用セメント、鉛筆の芯などに使用されています。[51]
六方晶BNは1940年頃に日本で初めて化粧品に使用されました。価格が高いため、この用途では使用されなくなりました。1990年代後半にh-BN製造プロセスの最適化により使用が復活し、現在ではファンデーション、メイクアップ、アイシャドウ、ブラッシャー、コールペンシル、口紅、その他のスキンケア製品など、化粧品を製造するほぼすべての大手メーカーでh-BNが使用されています。[20]
窒化ホウ素セラミックスとコーティングは、優れた熱安定性と化学的安定性のため、高温装置に使用されています。h-BNは、セラミックス、合金、樹脂、プラスチック、ゴム、その他の材料に含めることができ、自己潤滑特性を与えます。このような材料は、例えばベアリングや製鉄の製造に適しています。[20]多くの量子デバイスは、基板材料として多層h-BNを使用しています。また、抵抗ランダムアクセスメモリの誘電体としても使用できます。[52] [53]
六方晶BNは、電子写真プロセスやレーザープリンターで写真ドラムの電荷漏れバリア層として使用されています。[54]自動車業界では、バインダー（酸化ホウ素）と混合したh-BNが、燃料流量を調整するためのフィードバックを提供する酸素センサーのシールに使用されています。バインダーはh-BNのユニークな温度安定性と絶縁特性を利用しています。[20]
4種類の市販グレードのh-BNからホットプレスで部品を作ることができます。グレードHBNにはホウ素酸化物 バインダーが含まれており、酸化雰囲気では550～850℃、真空中では1600℃まで使用できますが、ホウ素酸化物が含まれているため水に敏感です。グレードHBRにはカルシウムホウ酸バインダーが使用されており、1600℃で使用できます。グレードHBCとHBTにはバインダーが含まれておらず、3000℃まで使用できます。[55]
窒化ホウ素ナノシート（h-BN）は、化学蒸着装置で約1100℃の温度でボラジンの触媒分解によって最大約10cm 2の面積に堆積することができる。六方晶原子構造、グラフェンとの格子不整合が小さい（約2％）、均一性が高いため、グラフェンベースのデバイスの基板として使用されている。[56] BNナノシートは優れたプロトン伝導体でもある。高いプロトン輸送速度と高い電気抵抗を組み合わせることで、燃料電池や水電気分解への応用が期待される。[57]
h-BNは、2000年代半ばから、一般に「モリブデン」と呼ばれる二硫化モリブデンコーティングの代替として、精密ターゲットライフルの弾丸と銃身の潤滑剤として使用されています。銃身の有効寿命を延ばし、銃身の清掃間隔を延ばし、銃身をきれいにした最初の発砲とその後の発砲の間の着弾点の偏差を減らすと言われています。[58]
h-BNは溶融金属やガラスの離型剤として使用されています。例えば、ZYP Coatingsは、溶融アルミニウム、非鉄金属、ガラスの製造業者が使用する塗装可能なh-BNコーティングのラインを開発し、現在生産しています。[59] h-BNはこれらの溶融材料に対して非濡れ性で潤滑性があるため、コーティングされた表面（つまり、金型やるつぼ）は材料に付着しません。[60] [61] [62] [63]
立方BN
立方晶窒化ホウ素（CBNまたはc-BN）は、研磨剤として広く使用されています。[64]その有用性は、高温で鉄、ニッケル、および関連合金に不溶性であることに由来しますが、ダイヤモンドはこれらの金属に溶解します。したがって、多結晶c-BN（ PCBN）研磨剤は鋼の機械加工に使用され、ダイヤモンド研磨剤はアルミニウム合金、セラミック、および石に適しています。高温で酸素と接触すると、BNはホウ素酸化物の不動態層を形成します。窒化ホウ素は、金属ホウ化物または窒化物の中間層の形成により、金属とよく結合します。立方晶窒化ホウ素結晶を含む材料は、切削工具のツールビットによく使用されます。研削用途では、樹脂、多孔質セラミックス、軟質金属などの柔らかいバインダーが使用されます。セラミックバインダーも使用できます。市販製品は「ボラゾン」（ハイペリオンマテリアルズ＆テクノロジーズ社[65]）、「エルボル」または「キュボナイト」（ロシアの販売業者）という名前で知られています。[51]
ダイヤモンドとは異なり、c-BNペレットはc-BN粉末を窒素気流中でBN分解温度よりわずかに低い温度で焼鈍するという単純なプロセス（焼結と呼ばれる）で製造することができる。c-BNとh-BN粉末の融合能力により、大型のBN部品を安価に製造することができる。[51]
ダイヤモンドと同様に、c-BN は最高の熱伝導率と電気抵抗率を併せ持ち、ヒートスプレッダーに最適です。
立方晶窒化ホウ素は軽い原子で構成されており、化学的にも機械的にも非常に堅牢であるため、X線膜の材料としてよく使用されています。質量が小さいためX線の吸収が少なく、機械的特性が優れているため薄い膜を使用でき、さらに吸収を減らすことができます。[66]
アモルファスBN
アモルファス窒化ホウ素（a-BN）層は、MOSFETなどの一部の半導体デバイスで使用されています。これらは、セシウムを含むトリクロロボラジンの化学分解、または熱化学気相成長法によって製造できます。熱CVDはh-BN層の堆積にも使用でき、高温ではc-BNの堆積にも使用できます。[67]
その他の形態の窒化ホウ素
原子レベルの薄さの窒化ホウ素
六方晶窒化ホウ素は単原子層または数原子層のシートに剥離することができる。グラフェンと構造が似ていることから、原子レベルで薄い窒化ホウ素はホワイトグラフェンと呼ばれることもある。[68]
機械的性質
原子レベルの薄さの窒化ホウ素は、最も強力な電気絶縁材料の1つです。単層窒化ホウ素の平均ヤング率は0.865TPa、破壊強度は70.5GPaです。厚さが増すと強度が劇的に低下するグラフェンとは対照的に、数層の窒化ホウ素シートは単層窒化ホウ素と同等の強度を持っています。[69]
熱伝導率
原子レベルの薄さの窒化ホウ素は、半導体や電気絶縁体の中で最も高い熱伝導率（室温で751W/mK）を持ち、層内結合が少ないため厚さが薄くなるにつれて熱伝導率が増加します。[70]
熱安定性
グラフェンの空気安定性は、明らかな厚さ依存性を示している。単層グラフェンは、250 °C で酸素と反応し、300 °C で強くドーピングされ、450 °C でエッチングされる。対照的に、バルクグラファイトは 800 °C まで酸化されない。[71]原子薄窒化ホウ素は、グラフェンよりもはるかに優れた耐酸化性を有する。単層窒化ホウ素は 700 °C まで酸化されず、空気中で 850 °C まで耐えることができる。二層および三層の窒化ホウ素ナノシートは、わずかに高い酸化開始温度を有する。[72]優れた熱安定性、ガスおよび液体に対する高い不浸透性、および電気絶縁性により、原子薄窒化ホウ素は、金属[73] [74]および黒リンなどの他の 2 次元 (2D) 材料の表面酸化および腐食を防ぐための潜在的なコーティング材料である。[75]
表面吸着性の向上
原子的に薄い窒化ホウ素は、バルクの六方晶窒化ホウ素よりも優れた表面吸着能力を持つことがわかっています。[76]理論的および実験的研究によると、吸着剤としての原子的に薄い窒化ホウ素は、分子の表面吸着時に構造変化を起こし、吸着エネルギーと効率が増加します。BNナノシートの原子の厚さ、高い柔軟性、より強力な表面吸着能力、電気絶縁性、不浸透性、高い熱安定性および化学的安定性の相乗効果により、ラマン感度が最大2桁向上し、同時に他の材料では容易に達成できない長期安定性と再利用性を達成できます。[77] [78]
誘電特性
原子レベルの薄さの六方晶窒化ホウ素は、グラフェン、二硫化モリブデン（MoS 2）、その他多くの2D材料ベースの電子デバイスや光子デバイスに最適な誘電体基板です。電気力顕微鏡（EFM）研究で示されているように、原子レベルの薄さの窒化ホウ素における電界遮蔽は厚さにわずかに依存しており、これは第一原理計算で明らかにされた数層窒化ホウ素内部の電界の滑らかな減衰と一致しています。[71]
ラマン特性
ラマン分光法は、さまざまな 2D 材料を研究するための有用なツールであり、高品質の原子的に薄い窒化ホウ素のラマン特性は、2011 年に Gorbachev らによって初めて報告されました。 [79]および Li ら[72]しかし、報告された 2 つの単層窒化ホウ素のラマン結果は互いに一致しませんでした。そのため、Cai らは、原子的に薄い窒化ホウ素の固有のラマンスペクトルを明らかにするために、体系的な実験的および理論的研究を実施しました。[80]基板と相互作用しない原子的に薄い窒化ホウ素は、バルクの六方晶窒化ホウ素と同様の G バンド周波数を持ちますが、基板によって誘発される歪みによってラマンシフトが発生する可能性があることを明らかにしています。それでも、原子的に薄い窒化ホウ素の G バンドのラマン強度を使用して、層の厚さとサンプルの品質を推定できます。
窒化ホウ素ナノメッシュ
窒化ホウ素ナノメッシュは、ナノ構造の2次元材料です。これは単一のBN層で構成されており、超高真空下でボラジンに清浄なロジウム[82]またはルテニウム[83]表面を高温にさらすと、自己組織化によって非常に規則的なメッシュを形成します。ナノメッシュは六角形の細孔の集合体のように見えます。2つの細孔中心間の距離は3.2 nmで、細孔直径は約2 nmです。この材料の他の用語はボロニトレンまたはホワイトグラフェンです。[84]
窒化ホウ素ナノメッシュは空気中で安定しており[85]、いくつかの液体と互換性があります。[86] [87] 800℃までの温度に耐えます。[82]
窒化ホウ素ナノチューブ
窒化ホウ素チューブルは、1989 年にショアとドランによって初めて作られました。この研究は 1989 年に特許を取得し、1989 年の論文 (ドラン) と 1993 年の Science に掲載されました。1989 年の研究では、B-トリクロロボラジンとセシウム金属による非晶質 BN の最初の製造でもありました。
窒化ホウ素ナノチューブは1994年に予測され[89]、1995年に実験的に発見されました。[90] h-窒化ホウ素のシートを巻いたものと想像できます。構造的にはカーボンナノチューブに近い類似物で、直径が数～数百ナノメートル、長さが数マイクロメートルの長い円筒形ですが、炭素原子が窒素原子とホウ素原子に交互に置き換えられています。しかし、BNナノチューブの特性は非常に異なります。カーボンナノチューブは、巻き方向と半径に応じて金属または半導体になることができますが、BNナノチューブは、チューブのカイラリティと形態に基本的に依存せず、バンドギャップが約5.5 eVの電気絶縁体です。[91]さらに、層状のBN構造は、グラファイトカーボン構造よりも熱的および化学的にはるかに安定しています。[92] [93]
窒化ホウ素エアロゲル
窒化ホウ素エアロゲルは、高多孔質のBNでできたエアロゲルです。通常は、変形したBNナノチューブとナノシートの混合物で構成されています。密度は0.6 mg/cm 3と低く、比表面積は1050 m 2 /gと高いため、吸収剤、触媒担体、ガス貯蔵媒体として使用できる可能性があります。BNエアロゲルは疎水性が高く、重量の160倍までの油を吸収できます。空気中で1200℃までの温度でも酸化に耐性があるため、吸収した油を炎で燃やした後も再利用できます。BNエアロゲルは、ボラジンを供給ガスとして使用してテンプレート支援化学蒸着法で製造できます。 [81]
BNを含む複合材料
窒化ケイ素セラミックに窒化ホウ素を添加すると、得られる材料の耐熱衝撃性が向上します。同じ目的で、窒化ケイ素-アルミナセラミックや窒化チタン-アルミナセラミックにもBNが添加されます。BNで強化される他の材料には、アルミナ、ジルコニア、ホウケイ酸ガラス、ガラスセラミック、エナメル、ホウ化チタン-窒化ホウ素、ホウ化チタン-窒化アルミニウム-窒化ホウ素、炭化ケイ素-窒化ホウ素の組成を含む複合セラミックなどがあります。[94]
ジルコニア安定化窒化ホウ素（ZSBN）は、 BNにジルコニアを添加して製造され、焼結プロセスによって耐熱衝撃性と機械的強度が向上しています。[95]広い温度範囲で優れた耐腐食性と耐浸食性など、より優れた性能特性を備えています。 [96]熱伝導性、潤滑性、機械的強度、安定性の独自の組み合わせにより、切削工具や耐摩耗コーティング、熱および電気絶縁、航空宇宙および防衛、高温部品など、さまざまな用途に適しています。[97] [98]
熱分解窒化ホウ素（PBN）
熱分解窒化ホウ素（PBN）は、化学蒸着窒化ホウ素（CVD-BN）[99]とも呼ばれ、高温での優れた耐薬品性と機械的強度を特徴とする高純度セラミック材料です。 [100] 熱分解窒化ホウ素は、通常、1900℃でグラファイト基板上で三塩化ホウ素とアンモニア蒸気を熱分解することによって製造されます。 [101]
熱分解窒化ホウ素（PBN）は、一般的に六方晶窒化ホウ素（hBN）に似た六方晶構造を持っていますが、積層欠陥や理想的な格子からの逸脱を示すことがあります。[102]熱分解窒化ホウ素（PBN）は、優れた化学的不活性、高い誘電強度、優れた耐熱衝撃性、非濡れ性、非毒性、耐酸化性、最小限のガス放出など、いくつかの注目すべき特性を示しています。 [103] [104]
熱分解グラファイト（PG）に似た高度に整列した平面組織のため、結晶面に対して垂直な方向の誘電率が低く、結晶面に沿った曲げ強度が高いなどの異方性特性を示す。[105] PBN材料は、化合物半導体結晶のるつぼ、進行波管の出力窓や誘電体ロッド、高温治具、絶縁体として広く製造されている。[106]
健康問題
窒化ホウ素（ Si 3 N 4 、NbN、BNCとともに）は一般に無毒であると考えられており、生物系において化学活性を示さない。[107]窒化ホウ素は、その優れた安全性と潤滑特性により、化粧品や食品加工機器など、さまざまな用途に広く使用されている。[108] [109]
参照
注記
- ^ ここで濡れとは、溶融金属が固体BNと接触し続ける能力を指します。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、窒化ホウ素に関連するメディアがあります。
- 国家汚染物質目録：ホウ素および化合物
- オックスフォード大学の材料安全データシート