Além do grafeno: o poder excepcional de dois

À medida que a tecnologia avança, os cientistas procuram novos materiais para satisfazer as exigências do nosso mundo em constante mudança. Uma das categorias mais promissoras são os materiais bidimensionais (2D), que têm apenas alguns átomos de espessura. Entre estes, o nitreto de boro (BN), um composto inorgânico feito de números iguais de átomos de boro e nitrogênio, é atualmente objeto de muita pesquisa e desenvolvimento. BN é um material único cujas propriedades podem variar de acordo com o arranjo dos átomos B e N.

As várias formas de BN são isoestruturais aos materiais de carbono. A forma cúbica do BN (c-BN) possui um arranjo cristalino semelhante ao do diamante, enquanto a estrutura hexagonal do BN (h-BN), que é a forma cristalina mais estável, lembra o grafite. Devido a esta característica isoestrutural, o h-BN também é chamado de 'grafite branco'. É um material em camadas onde, em cada camada, os átomos de nitrogênio e boro estão fortemente ligados por ligações covalentes em uma rede em favo de mel. As camadas são mantidas unidas por interações fracas, as forças de van der Waals. A disposição intercamadas dessas folhas, porém, difere do modelo observado para o grafite, pois os átomos são escalonados, o que leva a vários politipos, sendo o mais famoso, depois do h-BN, o romboédrico (r-BN). No h-BN, os átomos de B estão no topo dos átomos de N. Esta estrutura conduz a um material cerâmico extremamente estável com alta condutividade térmica que também é um excelente isolante elétrico, com um gap ultralargo de cerca de 6 eV. Nos últimos anos, com o surgimento do grafeno1 e o subsequente progresso da pesquisa em nanofolhas grafíticas de camada única e multicamadas, desenvolveu-se um interesse crescente no h-BN 2D.

Com a mesma estrutura em favo de mel e parâmetros de rede notavelmente próximos aos do grafite,2 é frequentemente considerado como um substrato isolante ideal para o grafeno e como o melhor material de barreira em heteroestruturas vdW.3 Todas essas propriedades tornam o h-BN ideal para uso em eletrônica, fotônica e optoeletrônica, onde pode ser usada para criar uma variedade de dispositivos, incluindo transistores, fotodetectores e sensores. Como resultado, o h-BN tornou-se um material chave na pesquisa de materiais 2D e um candidato promissor para futuras inovações tecnológicas.4

Por todas estas razões, tornou-se cada vez mais importante desenvolver métodos eficientes e económicos para a síntese de folhas de h-BN. O H-BN não é encontrado na natureza porque sua síntese é um processo difícil devido à alta reatividade de seus componentes que devem ser combinados em proporções específicas em temperaturas e pressões extremas, o que pode ser difícil de alcançar. O BN é, portanto, produzido apenas sinteticamente, principalmente a partir de boro puro, ácido bórico (H3BO3)5 ou trióxido de boro (B2O3).

Nos últimos anos, vários outros métodos foram desenvolvidos para sintetizar nanoestruturas 2D de h-BN. Podem distinguir-se duas abordagens principais: a abordagem ascendente e a abordagem descendente. A abordagem ascendente envolve o crescimento ou montagem de nanoestruturas de BN a partir de pequenos blocos de construção. Esses blocos de construção podem ser moléculas inorgânicas ou orgânicas. Por exemplo, nanofolhas de h-BN podem ser sintetizadas a partir de moléculas de borazina (B3N3H6) usando deposição química de vapor (CVD), um processo químico no qual uma fase de vapor é usada para depositar uma fina película de material em um substrato. A borazina é normalmente alimentada em um reator de alta temperatura onde é decomposta para formar camadas de h-BN no substrato. Os filmes de h-BN depositados por CVD são principalmente policristalinos com tamanho de grão geralmente de várias dezenas de micrômetros e formato triangular. Depósitos em escala de wafer podem ser obtidos, mas muitas vezes é necessário transferi-los para o substrato alvo para integração do processo industrial. O método top-down, por outro lado, envolve partir de um material h-BN a granel pré-existente e depois reduzir gradualmente seu tamanho até que a espessura desejada seja obtida. Esta abordagem é normalmente usada para produzir nanofolhas de h-BN usando esfoliação química ou mecânica para quebrar as forças de Van der Waals entre as camadas hexagonais e separar fisicamente as folhas 2D resultantes de h-BN do material a granel. Mesmo que o tamanho das estruturas esfoliadas seja geralmente reduzido e o seu rendimento possa ser pequeno, a qualidade original do material inicial é mantida após a esfoliação. Portanto, é importante ter fontes grandes (da ordem de alguns milímetros) de h-BN monocristalino como materiais de partida disponíveis para a esfoliação de folhas 2D de h-BN que possam ser posteriormente integradas em dispositivos comerciais. No entanto, conseguir cristais até à escala milimétrica continua a ser um desafio.