กลไกการเจริญเติบโตของอีปิแอกเซียลของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม

บทความล่าสุดใน เล็ก นำเสนอการตรวจสอบอย่างละเอียดเกี่ยวกับกลไกที่อยู่เบื้องหลังการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) บน Ru (0001) นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่วิถีการเกิดปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนกระบวนการเจริญเติบโตโดยใช้การผสมผสานระหว่างทฤษฎีความหนาแน่น (DFT) และการสร้างแบบจำลองทางจุลภาค โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับขั้นตอนสำคัญที่นำไปสู่การก่อตัวของ hBN และการพัฒนาตัวกลางที่มีรูพรุนขนาดนาโน

เครดิตรูปภาพ: รักพนักงาน/Shutterstock.com

พื้นหลัง

การเติบโตของวัสดุสองมิติ (2D) เช่น hBN ได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะและการประยุกต์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โฟโตนิกส์ และวัสดุศาสตร์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการผลิต เช่น การสะสมไอสารเคมี (CVD) จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจกลไกทางเคมีและทางกายภาพที่ควบคุมกระบวนการเติบโต

hBN มีคุณค่าในด้านความเสถียรทางความร้อนและทางเคมีที่ยอดเยี่ยม จึงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานต่างๆ การเจริญเติบโตบนพื้นผิวโลหะ เช่น รูทีเนียม (Ru) เป็นสิ่งที่น่าดึงดูดเป็นพิเศษสำหรับการได้ชั้นเดียวคุณภาพสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงอุณหภูมิของสารตั้งต้น การสัมผัสกับสารตั้งต้น และปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้อง

โบราซีนซึ่งเป็นสารประกอบโบรอน-ไนโตรเจน มักใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ hBN แม้จะมีการใช้งานบ่อยครั้ง แต่กลไกเฉพาะที่ควบคุมการดูดซับ การแพร่กระจาย และการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโบราซีนบนพื้นผิวโลหะยังไม่ชัดเจน การศึกษานี้พยายามที่จะเติมเต็มช่องว่างนั้นด้วยการวิเคราะห์โดยละเอียดของกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนากลยุทธ์ที่มีประสิทธิผลในการผลิตชั้น hBN คุณภาพสูง

การศึกษาในปัจจุบัน

เพื่อตรวจสอบกลไกการเจริญเติบโตของ hBN นักวิจัยได้ใช้การผสมผสานระหว่างการคำนวณ DFT และการสร้างแบบจำลองทางจุลภาค การคำนวณ DFT สำรวจว่าโบราซีนมีปฏิกิริยาอย่างไรกับพื้นผิว Ru (0001) โดยมุ่งเน้นไปที่วิถีการดูดซับและปฏิกิริยา สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการปรับรูปทรงของโมเลกุลให้เหมาะสม การประเมินพื้นผิวพลังงานศักย์ และการระบุการกำหนดค่าที่เสถียรและสถานะการเปลี่ยนแปลง พลังงานการดูดซับของโบราซีนและอนุพันธ์ของโบราซีนถูกคำนวณเพื่อประเมินความเสถียรบนพื้นผิว

แบบจำลองไมโครจลนศาสตร์ถูกนำมาใช้เพื่อจำลองจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาของกระบวนการเจริญเติบโต ครอบคลุมขั้นตอนต่างๆ เช่น การดูดซับ การแพร่กระจาย การสลายตัวของโปรตอน การลดขนาด และการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโบราซีน พารามิเตอร์ที่ขึ้นกับอุณหภูมิถูกรวมเข้าไว้เพื่อจับผลของอุณหภูมิซับสเตรตต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ด้วยการรวมผลลัพธ์ DFT เข้ากับแบบจำลองจลน์ การศึกษานี้ให้กรอบการทำงานโดยละเอียดสำหรับการทำความเข้าใจการเติบโตของเยื่อบุผิวของ hBN

ผลลัพธ์และการอภิปราย

การศึกษาระบุสี่ขั้นตอนสำคัญในการเติบโตของ hBN บน Ru (0001):

1. การดูดซับและการสลายตัวของโบราซีน
2. การลดขนาด
3. ความคงตัวของโพลีเมอร์โบราซีนที่มีขนาดใหญ่กว่า
4. การก่อตัวของตัวกลางที่มีรูพรุนระดับนาโน

การดูดซับโบราซีนบนพื้นผิว Ru พบว่าให้ผลดีอย่างกระฉับกระเฉง โดยการลดพลังงานลงอย่างมากเมื่อดูดซับ การลดโปรตอนกลายเป็นขั้นตอนสำคัญ ซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของสายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยาซึ่งสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันได้

แบบจำลองจุลภาคแสดงให้เห็นว่าความเสถียรของโพลีเมอร์โบราซีนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสารตั้งต้นและการสัมผัสกับสารตั้งต้นเป็นอย่างมาก ที่อุณหภูมิสูงขึ้น จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาสนับสนุนการก่อตัวของโครงสร้าง hBN ที่เสถียร ในขณะที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าส่งผลให้เกิดการสะสมของสายพันธุ์ขั้นกลาง การก่อตัวของตัวกลางที่มีรูพรุนระดับนาโนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดลักษณะทางสัณฐานวิทยาขั้นสุดท้ายของชั้น hBN

การค้นพบนี้สอดคล้องกับข้อมูลการทดลองเป็นอย่างดี โดยให้คำอธิบายที่ชัดเจนเกี่ยวกับพฤติกรรมที่ขึ้นกับอุณหภูมิของการเติบโตของ hBN ผลลัพธ์เน้นถึงความสำคัญของการควบคุมสภาวะการเจริญเติบโตอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้ชั้นเดียวคุณภาพสูงพร้อมคุณสมบัติที่ต้องการ

บทสรุป

การศึกษานี้ให้การวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวของ hBN บน Ru (0001) ผ่านการคำนวณ DFT และการสร้างแบบจำลองจุลภาค การวิจัยระบุขั้นตอนสำคัญในกระบวนการเจริญเติบโต โดยเน้นความสำคัญของการลดโปรตอนของโบราซีนและการก่อตัวของตัวกลางที่มีรูพรุนขนาดนาโน

การค้นพบนี้เน้นย้ำว่าปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิของสารตั้งต้นและการสัมผัสกับสารตั้งต้นมีอิทธิพลต่อความเสถียรของสายพันธุ์กลางและโครงสร้างสุดท้ายของ hBN อย่างไร ด้วยการพัฒนาความเข้าใจในวิถีทางเคมีที่เกี่ยวข้อง งานนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตชั้นเดียว hBN คุณภาพสูง และสนับสนุนความก้าวหน้าเพิ่มเติมในด้านวัสดุศาสตร์

อ้างอิงวารสาร

เพย์น เอเจอาร์. และคณะ– (2025). การเปิดเผยกลไกการเจริญเติบโตของ epitaxis ของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมและนาโนพรุน: แบบจำลองไมโครไคเนติกหลักการแรก เล็ก– ดอย: 10.1002/smll.202405404, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202405404

ข้อสงวนสิทธิ์: มุมมองที่แสดงไว้ที่นี่เป็นความเห็นของผู้เขียนที่แสดงออกมาในความสามารถส่วนตัว และไม่จำเป็นต้องเป็นตัวแทนของมุมมองของ AZoM.com Limited T/A AZoNetwork ซึ่งเป็นเจ้าของและผู้ดำเนินการเว็บไซต์นี้ การปฏิเสธความรับผิดชอบนี้เป็นส่วนหนึ่งของข้อกำหนดและเงื่อนไขการใช้งานเว็บไซต์นี้