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Elaboration de nanofeuillets de nitrure de bore hexagonal (h-BN)

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Elaboration de nanofeuillets de nitrure de bore hexagonal (h-BN)
C. Journet (PR)

Après la découverte du graphène en 2004, et ses conséquences dans le domaine des nanosciences et nanomatériaux, il est apparu un intérêt croissant pour les matériaux 2D et leurs hétérostructures. On peut s’attendre à un impact technologique équivalent à celui provoqué dans les années 80 par l’introduction des hétérostructures de semiconducteurs. Plus particulièrement, les hétérostructures de graphene (Gr) et de nitrure de bore hexagonal (h-BN) présentent un grand intérêt pour l’électronique et l’optoélectronique. En effet les deux matériaux sont mutuellement compatibles avec un même réseau en nid d’abeille et fonctionnellement complémentaires. Le premier, appelé graphène noir, est conducteur comme le graphite ; le second est un semi-conducteur grand gap transparent dans le visible, appelé graphène blanc. Il a été montré récemment, par des mesures sur des échantillons exfoliés, que les propriétés de transport du graphène déposé sur h-BN pouvaient s’approcher des limites intrinsèques du Gr.

Notre but ici vise donc à développer et maîtriser la synthèse de films minces de h-BN de grande qualité pouvant servir de substrat pour le dépôt et/ou la croissance épitaxiale de graphène haute mobilité. Depuis de nombreuses années, le laboratoire possède une expertise internationalement reconnue en synthèse de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sous des formes variées (fibres, films minces, nanotubes, membranes méso ou micro-poreuses ...) pour des applications essentiellement tribologiques, thermostructurales et énergétiques...

L’accès à ces formes spécifiques est rendu possible grâce à la voie de synthèse utilisée, la pyrolyse de polymères précéramiques (PDCs) qui consiste à synthétiser un précurseur moléculaire et à le polycondenser en un polymère inorganique pouvant être mis en forme avant sa céramisation. Ces dernières années ont été consacrées à la mise au point de revêtements de h-BN sur substrat métallique par pyrolyse de polymères précéramiques utilisant des solutions optimisées de précurseurs soit pulvérisés soit déposés par dip ou spin-coating puis céramisés par un traitement thermique approprié. Actuellement, la préparation de nanofeuillets de h-BN représente une partie importante de notre programme de recherche et il est possible d’envisager la synthèse de telles structures par voie polymère, en adaptant la concentration en polymère du précurseur et/ou en modifiant le traitement thermique. La synthèse est réalisée à partir de borazine (B3N3H6) lui-même polymérisé en polyborazilène (PBN).

Une originalité de la synthèse repose sur l’additivation du précurseur avec un promoteur de cristallisation qui permet d’abaisser la température finale de cristallisation de plusieurs centaines de degrés. Les cristaux ainsi obtenus, après traitement thermique, présentent une grande pureté et une très bonne cristallinité. Ces deux paramètres font qu’il est alors possible d’exfolier le matériau en nanostructures de haute qualité. Très récemment, en couplant cette technique à un frittage flash (SPS), nous avons réalisé, en collaboration avec le laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon, la synthèse de nanostructures bidimensionnelles, des nanofeuillets de h-BN parfaitement cristallisés, nécessaires à l’exploitation des propriétés électroniques du graphène.

L’ensemble de ces résultats, obtenus en étroite collaboration entre les équipes S2M et CIMP, permettent au LMI de se positionner sur le devant de la scène internationale dans un domaine extrêmement compétitif à l’heure actuelle. En outre, en raison de la très bonne qualité des échantillons déjà obtenus et de la promesse de feuillets optimisés, le LMI a été invité à rejoindre le "Flagship Graphene", un projet de recherche européen d’un milliard d’euros sur dix ans dont le but est de développer des applications pour le graphène, et plus généralement, la famille des matériaux bidimensionnels.

Thèses en cours sur ce sujet :

- Thèse (2014-2017) - Francois Gombault : Élaboration par voie chimique de précurseurs à base de bore et d’azote pour la réalisation de feuillets de BN.

- Thèse CSC (2015-2018) - Yangdi Li : Synthèse de h-BN par combinaison des procédés précéramiques et frittage SPS

Publications associées à ce travail :

- Synthesis of hexagonal boron nitride graphene-like few layers. S. Yuan, B. Toury, C. Journet, A. Brioude, Nanoscale 6(14), 7838-7841 (2014).

- Low temperature synthesis of highly crystallized hexagonal boron nitride sheets with Li3N as additive agent. S. Yuan, B. Toury, S. Benayoun, R. Chiriac, F. Gombault, C. Journet, A. Brioude, European Journal of Inorganic Chemistry, 2014(32), 5507-5513 (2014).

- Pure & crystallized 2D Boron Nitride sheets synthesized via a novel process coupling both PDCs and SPS methods. S. Yuan, S. Linas, C. Journet, P. Steyer, V. Garnier, G. Bonnefont, A. Brioude, B. Toury, Scientific Reports, 6, Article number : 20388 (2016).

- How to Increase the h-BN Crystallinity of Microfilms and Self-Standing Nanosheets : A Review of the Different Strategies Using the PDCs Route. Yuan, S, Journet, C, Linas, S, Garnier, V, Steyer, P, Benayoun, S, Brioude, A, Toury, B, Crystals, 6(5), Article Number : 55 (2016).

Contrats :

- Contrat ANR-14-CE05-0009 "Apport des nanosciences et nanotechnologies aux matériaux fonctionnels et biotechnologies", GoBN : Hétérostructures de graphènes blanc et noir (2014-2019).

- Contrat "Flagship Graphene".