工业金属面临着腐蚀和降解的无情威胁，每年消耗数万亿美元。然而，有效的大规模保护仍然难以捉摸，这让结构工程师和资产管理者都感到沮丧。在石墨烯分离使其他2D薄膜的研究成为可能之后，先进的涂层似乎已经准备好实现突破。层状氮化硼因其化学惰性和热稳定性与碳对应物相似而特别有前途。
然而，质量不一致、复杂性和产量低阻碍了学术实验室以外的采用。事实证明，在量产时在金属上合成均匀的hBN极具挑战性。
橡树岭国家实验室的研究人员现在推出了一种非常简单且可扩展的方法，可以将高质量的hBN沉积到商业必需的铁和镍合金上。只需在合适的基材上催化惰性二氮，它们就可以以前所未有的控制来控制薄膜的生长。
这种能力有望为依赖无处不在的钢和高温合金的大型行业提供防腐蚀和减少摩擦的能力。该技术可能很快在涂料制造商中得到广泛应用，从而立即提高基础设施、运输、海洋系统等的效率。
研究结果已发布在Advanced Materials Interfaces上。
腐蚀会影响交通、基础设施、海洋系统等领域的结构，每年造成数万亿美元的经济损失。对于含有铁或镍的基本合金，氧化和化学降解会阻碍耐用性并导致昂贵的维护。近年来，随着石墨烯的分离和随后其他2D材料的发现，对先进涂层的研究加速了。作为一种类似于石墨烯的超宽带隙绝缘体，层状hBN具有优异的化学惰性、热稳定性和机械稳定性。早期研究发现，hBN层可以保护金属免受氧化和摩擦。然而，现有的生产技术在一致性、产量和规模方面存在困难。
最常见的hBN合成涉及危险的前体，如硼嗪和爆炸性氨硼烷。在大型反应器中控制均匀的前体分解绝对不是一件容易的事。使用二硼烷和氨的交替尝试导致不受控制的纳米颗粒形成，而不是高质量的hBN薄膜。因此，该领域专注于不适合实际应用的专用实验室规模工艺。
“巨大的工业部门依赖于丰富和良性的前体，这些前体适合安全、可重复的大面积沉积，”首席研究员Ivan Vlassiouk博士说。“我们的目标是开发一种用于大批量hBN生产的大气压方法。”
现在，该团队证明，只需使用二氮和非活性硼源，就可以在工业规模上种植高质量的hBN。科学家们利用hBN合成和催化的Haber过程之间的类比来大规模生产氨。在诺贝尔奖获得者的方法中，特定表面上的二氮活化控制反应动力学而不是前体浓度。研究人员假设，对催化解离氮吸附的类似速率限制将实现前所未有的过程控制。
通过明智地选择基质和条件，他们促进了跨厘米大小区域的选择性hBN沉积。未反应的二氮确保了均匀的薄膜质量，不受反应器几何形状的影响。该团队系统地优化了从温度到催化剂成分的每个参数。值得注意的是，在镍中添加铁会加速生长，但往往会将过量的氮困在缺陷中。纯镍产生了优质的单层hBN，其基面延伸500微米。这种晶圆级单晶的性能优于下一代电子产品的剥落薄片。hBN首次沉积在现实世界的钢和镍合金上，无需预处理。拉曼光谱表明，即使在复杂的样品上也能完全覆盖表面。
拉曼光谱表明，即使在复杂的样品上也能完全覆盖表面。基于相对光谱强度，研究人员评估了与低碳钢相比，不锈钢上形成的hBN更厚。他们将这种差异归因于氮溶解增强和随后在铬存在下的hBN沉淀。在常规合成条件下，0.75-3 mm厚的低碳钢样品在1小时后涂覆100 nm左右厚的薄膜。
暴露于浓盐酸 10 天后，溶出度降低了 7 倍。此外，hBN涂层在高达850°C的空气中保持结构完整性，未受保护的钢在几分钟内就会降解。研究人员还测量了10倍的摩擦减少，与石墨烯等其他2D润滑剂一致。持续的优化将延长恶劣环境的使用寿命。尽管如此，昨天实施的这种技术立即实现了以前无法实现的廉价 hBN 整合。
Vlassiouk博士总结道：“仅使用二氮和硼，我们的CVD合成在工业上首选的金属铁和镍上实现了大面积hBN沉积。通过惰性前驱体的表面催化来控制 hBN 质量，解决了在防腐蚀、高温屏蔽和降低摩擦方面实际采用的瓶颈。凭借卓越的可扩展性和微不足道的安全考虑，我们完全期待涂料供应商的快速商业化。这一开创性的发展体现了利用对基本化学的理解来设计改变游戏规则的解决方案的潜力，以解决长期存在的技术障碍。现在，许多行业都有一条简单的途径，通过六方氮化硼表面保护来大幅提高效率。
