Свойства наноструктур BN

Механические свойства

Теоретически установлено, что нанотрубки BN имеют меньший на 30 % модуль Юнга, чем в случае углеродных нанотрубок, а экспериментально установленный модуль Юнга для многостенной нанотрубки BN оказался равным 1.22 ± 0.24 TПa. Теоретические расчеты с помощью квантово-механических методов показали, что при сдавливании (9,0) зигзагообразной нанотрубки BN от 0.74 нм до 0.20 нм происходит уменьшение ширины запрещенной зоны от 3.5 эВ до 1.0 эВ и 10 ГПa достаточно для разрушения нанотрубки диаметром 3 нм. В случае кресельной нанотрубки BN ширина запрещенной зоны менее чувствительна к механическому напряжению. Существуют необратимые фазовые переходы нанотрубок BN при давлении ~12 ГПa, (для углеродных нанотрубок ~20 ГПa).

Свойства наноструктур BN

Механические свойства

Оказалось, что при помещении нанотрубок BN в сильное постоянное электрическое поле происходит перестройка электронного спектра – ширина запрещенной зоны уменьшается линейно при увеличении напряженности поперечного электрического поля. Для нанотрубок с бόльшим диаметром (вне зависимости от хиральности) этот эффект более выражен.

Свойства наноструктур BN

Теплофизические свойства

Теплопроводность h-BN и наноструктур на его основе в плоскости шестиугольников (базальная плоскость) оказалась равной 200 - 500 Вт/мК, что меньше, чем у графита и графена.

Температурная стабильность многостенных нанотрубок BN значительно превосходит стабильность углеродных нанотрубок: окисление и разрушение нанотрубок BN происходит при температурах свыше 800 °C в атмосфере кислорода (400 °C для углеродных нанотрубок).

Свойства наноструктур BN

Смачивание поверхности

Поверхность h-BN частично смачивается водой (контактный угол составляет ~ 50°), а для нанотрубок наблюдается супергидрофоб-ное состояние (контактный угол составляет ~ 150°).

Свойства наноструктур BN

Дефекты в нанотрубках BN

В отличие от углеродных нанотрубок, где их торцы можно замкнуть с одной или двух сторон полусферами фуллеренового типа, при замыкании торцов нанотрубок BN не используются пятиугольноки, т.к. они энергетически невыгодны. Тогда комбинации из трех квадратов (B2N2), или комбинация четырех

квадратов (B2N2) и одного восьмиугольника (B4N4), а также

несколько пятиугольников, но с общими парами N-N, можно использовать для закрытия нанотрубок. Однако экспериментально не установлен тип полусферы.

Свойства наноструктур BN

Дефекты в нанотрубках BN

Теоретически показано, что дефект пятиугольник-семиугольник приводит к значительному повышению полной энергии системы из-за наличия связей B-B или N-N в отличии от графена и углеродных нанотрубок, где дефект Стоуно-Уэльса (формирование пары пятиугольник-семиугольник вместо пары шестиугольников) достаточно типичен. Торцы кресельной нанотрубки предпочитают формирование полусфер, чтобы закрыть нанотрубку, а оборванные связи зигзагообразной нанотубки оказались не столь энергетически затратны (из-за наличия ионного типа химической связи).

Электронное облучение с помощью электронного микроскопа приводит к образованию дивакансий, которые привносят акцепторный уровень не изменяя ширины запрещенной зоны.

Свойства наноструктур BN

Легирование нанотрубок, гетеронанотрубки и наноленты

Нанотрубки BN являются полупроводниками. Существует возможность уменьшения ширины запрещенной зоны при добавлении атомов углерода (синтез с помощью реакции замещения), т.е. получение легированных углеродом нанотрубок BN.

Свойства наноструктур BN

Легирование нанотрубок, гетеронанотрубки и наноленты

Предложено использовать гетероструктуру из нанотрубок BN/C. Теоретические исследования показали, что энергия на границе раздела C/BN на химическую связь составляет ~0.4 эВ.

Активационный барьер для диффузии на границе раздела составляет 2.0 эВ на атом, что указывает на невозможность формирования четкой границы раздела. Ожидается, что гетероструктуры из нанотрубок BN/C могут обладать «промежуточными» физико-химическими свойствами, которые свойственны углеродным и BN нанотрубкам. Следует учитывать, что некоторые углеродные нанотрубки обладают металлическими свойствами.

Свойства наноструктур BN

Легирование нанотрубок, гетеронанотрубки и наноленты

Возможно получение нанотрубок BN, легированных кремнием, при помощи каталитического пиролиза прекурсора, содержащего атомы бора и кремния. Содержание кремния доходит до 6 весовых процентов.

Исследованы поверхностные состояния на полосках BN. Для некоторых полосок BN, легированных углеродом, возможно появления ферромагнитной фазы. Теоретические исследования магнитных свойств нанотрубок BN, легированных углеродом, показали возможность возникновения ферромагнитного состояния для зигзагообразной (9,0) нанотрубки с поверхностными состояниями при наличии двух дополнительных дырок.