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白石墨六方氮化硼與石墨結(jié)構(gòu)相似，為啥h-BN不導(dǎo)電？

信息來(lái)源：本站 | 發(fā)布日期： 2022-01-11 16:28:16 | 瀏覽量：845248

摘要：

六方氮化硼與石墨具有非常類似的結(jié)構(gòu)特征和成鍵性質(zhì)，但兩者的導(dǎo)電性能有著非常的大的區(qū)別。這是為啥呢？下文小編與大家一起探討一下。石墨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析石墨具有層狀的平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如上圖所示，每層中碳原子都排列成蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子間距0.142nm，層間距0.335nm。層…

六方氮化硼與石墨具有非常類似的結(jié)構(gòu)特征和成鍵性質(zhì)，但兩者的導(dǎo)電性能有著非常的大的區(qū)別。這是為啥呢？下文小編與大家一起探討一下。
石墨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析
石墨具有層狀的平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如上圖所示，每層中碳原子都排列成蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子間距0.142nm，層間距0.335nm。層內(nèi)有σ和π鍵（示意圖可見下圖3，σ和π鍵的解釋見下文），層間有范德華力，層間距離較遠(yuǎn)未形成強(qiáng)化學(xué)鍵。
碳是第六號(hào)元素，所以碳原子的電子排布式為：1s22s22p2（碳原子的基態(tài)）。在石墨稀層內(nèi)（即單層的石墨）每個(gè)碳原子與最近鄰的3個(gè)碳原子通過(guò)σ鍵相連接，相鄰σ鍵夾角為120°（σ鍵由sp2雜化軌道重疊產(chǎn)生，結(jié)合力強(qiáng)，sp2雜化軌道原理見圖2），剩余的1個(gè)p電子軌道垂直于石墨烯平面（p軌道互相平行）。每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)1個(gè)未成鍵的π電子（用P軌道電子參與成鍵的電子），與周圍的原子形成結(jié)合力比較弱的π共軛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在多原子分子或離子中，如有相互平行的p軌道，它們連貫重疊在一起構(gòu)成一個(gè)整體，p電子可在多個(gè)原子間運(yùn)動(dòng)形成π型化學(xué)鍵，這種不局限在兩個(gè)原子之間的π鍵稱為離域π鍵或共軛大π鍵（見圖3，簡(jiǎn)稱大π鍵，大π鍵具有特殊的穩(wěn)定性。在外加電場(chǎng)的影響下，離域π鍵中的電子可以在整個(gè)石墨層內(nèi)自由移動(dòng)，這也就是為啥石墨層導(dǎo)電/導(dǎo)熱能力強(qiáng)的原因。
#碳原子的SP2雜化#基態(tài)原子在外界能量影響下，通過(guò)特定的規(guī)則變成激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)外層的1個(gè)S軌道+2個(gè)P軌道雜化成3個(gè)SP2軌道，剩下一個(gè)單獨(dú)的P軌道，示意圖如下。

共軛/離域大π鍵的特征，σ鍵在同一平面，參與共軛的p軌道相互平行，且垂直于σ面，相鄰的p軌道間從側(cè)面重疊發(fā)生鍵離域，在共軛體系中，π電子云擴(kuò)展到整個(gè)體系。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)
氮化硼（平均是6個(gè)）和碳（6個(gè)）是等電子的，性質(zhì)相似，和碳一樣，氮化硼有多種同質(zhì)異形體，其中六方氮化硼（α-BN）結(jié)構(gòu)則類似于石墨，是一種十分實(shí)用的潤(rùn)滑劑，立方氮化硼（β-BN）結(jié)構(gòu)類似于鉆石，硬度僅低于金剛石，但耐高溫性優(yōu)于金剛石。

在石墨烯中，每個(gè)碳原子還擁有一個(gè)未成對(duì)電子，在垂直于平面方向上形成離域π鍵，π電子能夠在面內(nèi)高速自由移動(dòng)，賦予了石墨烯優(yōu)異的電學(xué)/熱學(xué)特性。而單層h-BN是B原子和N原子交替排列形成的類石墨烯的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，相鄰B原子和N原子之間同樣通過(guò)sp2雜化形成σ共價(jià)鍵，鍵長(zhǎng)0.145nm。除了成鍵電子外，h-BN也有兩個(gè)未成鍵電子及兩個(gè)垂直于平面的p軌道，因此從基本結(jié)構(gòu)上看，兩者性能應(yīng)當(dāng)相似，但不同的是，BN是極性共價(jià)鍵，由于N的電負(fù)性比B大，因此大π鍵上的電子更傾向于被固定在N的周圍無(wú)法自由移動(dòng)（由于沒有形成共軛，也有人認(rèn)為它不應(yīng)該叫大π鍵），由于h-BN平面內(nèi)沒有可自由移動(dòng)的電子，π鍵上的電子離域性不高，室溫下，h-BN中載流子遷移率較低，因此h-BN具有優(yōu)異的電絕緣性。

h-BN是一種禁帶寬度為5~6eV的絕緣體，在紫外發(fā)光二極管等光電器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。此外，h-BN片層內(nèi)具有較高的熱導(dǎo)率（通過(guò)聲子震動(dòng)導(dǎo)熱）和較低的熱膨脹系數(shù)，是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。但與石墨類似的，雖然h-BN的層內(nèi)平面熱導(dǎo)率非常高，但在垂直BN層的方向上（層與層之間缺乏高效導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)），熱導(dǎo)率很低，因此需要通過(guò)特殊的工藝來(lái)形成有效的導(dǎo)熱通道，例如做成片狀氮化硼球，結(jié)構(gòu)如下。

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