Au-delà du graphène : le pouvoir exceptionnel de deux

À mesure que la technologie progresse, les scientifiques recherchent de nouveaux matériaux pour répondre aux exigences de notre monde en constante évolution. L’une des catégories les plus prometteuses est celle des matériaux bidimensionnels (2D), qui n’ont que quelques atomes d’épaisseur. Parmi ceux-ci, le nitrure de bore (BN), un composé inorganique composé d’un nombre égal d’atomes de bore et d’azote, fait actuellement l’objet de nombreuses recherches et développements. Le BN est un matériau unique dont les propriétés peuvent varier selon la disposition des atomes B et N.

Les différentes formes de BN sont isostructurales par rapport aux matériaux carbonés. La forme cubique du BN (c-BN) a un arrangement cristallin similaire à celui du diamant, tandis que la structure hexagonale du BN (h-BN), qui est la forme cristalline la plus stable, ressemble au graphite. En raison de cette caractéristique isostructurale, le h-BN est également appelé « graphite blanc ». Il s’agit d’un matériau en couches dans lequel, dans chaque couche, les atomes d’azote et de bore sont fortement liés par des liaisons covalentes dans un réseau en nid d’abeilles. Les couches sont maintenues ensemble par des interactions faibles, les forces de Van der Waals. La disposition intercalaire de ces feuillets diffère cependant du modèle observé pour le graphite, car les atomes sont décalés, ce qui conduit à plusieurs polytypes, le plus célèbre, après le h-BN, étant le rhomboédrique (r-BN). Dans h-BN, les atomes B sont au-dessus des atomes N. Cette structure conduit à un matériau céramique extrêmement stable avec une conductivité thermique élevée qui est également un excellent isolant électrique, avec une bande interdite ultra-large d'environ 6 eV. Ces dernières années, avec l’essor du graphène1 et les progrès ultérieurs de la recherche sur les nanofeuilles graphitiques monocouches et multicouches, un intérêt croissant s’est développé pour le h-BN 2D.

Avec la même structure en nid d'abeille et les mêmes paramètres de réseau remarquablement proches de ceux du graphite2, il est souvent considéré comme un substrat isolant idéal pour le graphène et comme le meilleur matériau barrière dans les hétérostructures vdW.3 Toutes ces propriétés rendent le h-BN idéal pour une utilisation dans l'électronique, la photonique et l'optoélectronique, où il peut être utilisé pour créer une variété de dispositifs, notamment des transistors, des photodétecteurs et des capteurs. En conséquence, le h-BN est devenu un matériau clé dans la recherche sur les matériaux 2D et un candidat prometteur pour les futures innovations technologiques.4

Pour toutes ces raisons, il est devenu de plus en plus important de développer des méthodes efficaces et rentables pour la synthèse des feuillets h-BN. Le H-BN ne se trouve pas dans la nature car sa synthèse est un processus difficile en raison de la grande réactivité de ses composants qui doivent être combinés dans des proportions spécifiques à des températures et pressions extrêmes, ce qui peut être difficile à réaliser. Le BN est ainsi produit uniquement de manière synthétique, principalement à partir de bore pur, d'acide borique (H3BO3)5 ou de trioxyde de bore (B2O3).

Ces dernières années, d’autres méthodes ont été développées pour synthétiser des nanostructures 2D h-BN. Deux approches principales peuvent être distinguées : l’approche ascendante et l’approche descendante. L’approche ascendante consiste à faire croître ou à assembler des nanostructures de BN à partir de petits éléments constitutifs. Ces éléments constitutifs peuvent être des molécules inorganiques ou organiques. Par exemple, les nanofeuilles de h-BN peuvent être synthétisées à partir de molécules de borazine (B3N3H6) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), un processus chimique dans lequel une phase vapeur est utilisée pour déposer un mince film de matériau sur un substrat. La borazine est généralement introduite dans un réacteur à haute température où elle est décomposée pour former des couches de h-BN sur le substrat. Les films de h-BN déposés par CVD sont principalement polycristallins avec une granulométrie généralement de plusieurs dizaines de micromètres et une forme triangulaire. Des dépôts à l'échelle d'une tranche peuvent être obtenus mais il est souvent nécessaire de les transférer sur le substrat cible pour une intégration dans le procédé industriel. La méthode descendante, quant à elle, consiste à partir d’un matériau h-BN en vrac préexistant, puis à réduire progressivement sa taille jusqu’à obtenir l’épaisseur souhaitée. Cette approche est généralement utilisée pour produire des nanofeuilles de h-BN en utilisant une exfoliation chimique ou mécanique pour briser les forces de Van der Waals entre les couches hexagonales et séparer physiquement les feuilles 2D de h-BN résultantes du matériau en vrac. Même si la taille des structures exfoliées est généralement réduite et que leur rendement peut être faible, la qualité initiale du matériau en vrac de départ est conservée après exfoliation. Par conséquent, il est important de disposer de grandes sources de h-BN monocristallins (de l’ordre de quelques millimètres) comme matières premières disponibles pour l’exfoliation de feuilles de h-BN 2D qui peuvent être davantage intégrées dans des dispositifs commerciaux. Cependant, obtenir des cristaux jusqu’à l’échelle millimétrique reste un défi.