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在開始介紹“白色石墨烯”之前，我們先來了解一下二維材料的基本概念。

二維材料大家族

二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。二維材料是伴隨著2004年曼切斯特大學(xué)（University of Manchester）Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯（graphene）而提出的。

石墨烯以其突出的高載流子遷移率、高強(qiáng)度、高透光率、優(yōu)良的導(dǎo)熱能力等特點(diǎn)，無論是在理論研究還是應(yīng)用領(lǐng)域，都引起了全世界科研人員的極大興趣。后續(xù)又有一些其他的二維材料陸續(xù)被分離出來，如：黑磷、錫烯、硅烯、氮化硼、二硫化鉬、二硒化鎢等。

二維材料結(jié)構(gòu)（從上至下：石墨烯，BN，MoS2，WSe2）

目前除石墨烯外，科學(xué)家們已發(fā)展了五大體系的二維材料：MXenes（超薄碳化物或氮化物二維材料）、Xenes（單原子層單質(zhì)二維材料）、Organicmaterials（有機(jī)二維材料）、TMD（過渡金屬二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。

石墨烯的透光率、二硫化鉬的直接帶隙、氮化硼的絕緣性、黑磷烯的半導(dǎo)體性、錫烯的超導(dǎo)電性等特性能讓二維材料在不同的領(lǐng)域發(fā)揮各自特長。雖然目前人們對二維材料的研究才剛剛起步，但這些二維材料神奇的特性吸引著越來越多的科研人員投身該領(lǐng)域的研究。

接下來小編再為大家詳細(xì)開講，“白色石墨烯”的性質(zhì)及應(yīng)用。

“白色石墨烯”是什么？

“白色石墨烯”是六方氮化硼（英文名稱為Hexagonal Boron Nitride，縮寫為h-BN）的別名，由于六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和石墨非常相似，具有六方層狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地柔軟，可加工性強(qiáng)，并且顏色為白色，所以俗稱“白石墨”（現(xiàn)也被稱作“白色石墨烯”）。

六方氮化硼粉末

六方氮化硼和石墨烯都是僅一個(gè)原子厚度的層狀二維材料，不同之處在于石墨烯結(jié)合純屬碳原子之間的共價(jià)鍵，而六方氮化硼晶體中的結(jié)合則是硼、氮異類原子間的共價(jià)結(jié)合。

雖然結(jié)構(gòu)類似，但是兩者在電學(xué)性能方面卻有著天壤之別。六方氮化硼因?yàn)閷訝罱Y(jié)構(gòu)中沒有可自由移動(dòng)的電子，是一種天然絕緣體，而石墨烯卻是一種優(yōu)良的導(dǎo)體。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)示意圖

另外，h-BN還具有高熱穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性、寬帶隙（約5.5 eV）、獨(dú)特的紫外發(fā)光性能、潤滑性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕性，具有中子吸收能力等明顯特點(diǎn)。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)示意圖

“白色石墨烯”的廣泛應(yīng)用

所謂結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定應(yīng)用，六方氮化硼具備的多種特性，使得它被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。如：制備立方氮化硼、陶瓷制品、導(dǎo)熱塑料、顏料、精密鑄造脫模劑、透波材料、化妝品、芯片散熱材料等。

芯片散熱材料

隨著電子元件和系統(tǒng)的體積不斷變小，速度不斷變快，熱處理和可靠性成了影響它們壽命的關(guān)鍵問題。局部高熱流熱點(diǎn)的熱管理是大功率電子器件的關(guān)鍵，不理想的散熱會(huì)造成芯片中特殊區(qū)域溫度過高，影響電子系統(tǒng)性能和電子器件的可靠性。

雖然石墨烯有著很高的熱導(dǎo)率（5300W/( m·K) ），但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，芯片表面的二氧化硅絕緣層厚度會(huì)影響石墨烯的散熱效果，二氧化硅層太厚會(huì)阻礙熱點(diǎn)熱量向石墨烯層有效傳導(dǎo)，太薄又容易使金屬電路和石墨烯層接觸而出現(xiàn)短路。而六方氮化硼，作為一種既絕緣又高導(dǎo)熱的材料，將成為提高芯片散熱能力的關(guān)鍵材料。

耐高溫潤滑劑

六方氮化硼在極低和極高（900 °C）的溫度甚至是氧氣下都是一種很好的潤滑劑，這使得它在石墨的導(dǎo)電性和與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成應(yīng)用受限時(shí)特別有用，并且h-BN的潤滑機(jī)理并不涉及到層面之間的水分子，氮化硼潤滑劑還可以在真空下使用。

將h-BN分散在耐熱潤滑油脂、水或溶劑中，填充在樹脂、陶瓷、金屬表面作成耐高溫自潤滑復(fù)合材料，可用于宇航工程；h-BN懸浮液呈白色或淡黃色，在紡織機(jī)械上不會(huì)污染纖維制品，因此可大量用在合成纖維紡織機(jī)械潤滑上；此外，h-BN潤滑油還可用于高溫用潤滑劑、航空航天器上的高溫用潤滑劑及耐熱壓縮機(jī)油及高溫用潤滑脂等。

目前使用很廣泛的固體潤滑劑是二硫化鉬，廣泛應(yīng)用于各種要求高性能潤滑劑的領(lǐng)域。但由于目前二硫化鉬的價(jià)格高昂，已超過了氮化硼粉體的價(jià)格，所以目前正有大量廠家研究用六方氮化硼替代二硫化鉬，這樣使六方氮化硼在潤滑油工業(yè)中的應(yīng)用可能性大為增加，有可能取代一部分傳統(tǒng)上使用二硫化鉬的場合。

二硫化鉬結(jié)構(gòu)示意圖

六方氮化硼及其復(fù)合陶瓷

六方氮化硼粉體可以通過熱壓工藝制備高溫絕緣陶瓷材料。其典型應(yīng)用是電子零件，尤其是在硅半導(dǎo)體加工中應(yīng)用頗多：CVD坩堝，微電路封裝，濺射靶材，高精度密封，釬焊和金屬化支撐體，微波管，立式澆鑄密封環(huán)，低摩擦密封件，等離子弧絕緣件，熱電偶保護(hù)管，高溫窯爐固定和支撐體等。

六方氮化硼與二硼化鈦復(fù)合制備的導(dǎo)電復(fù)合陶瓷主要用于金屬鍍膜工業(yè)，主要是真空蒸鍍包裝材料、電容器金屬化真空鍍膜、顯示屏鍍層、燙金鍍層、防偽標(biāo)志鍍層、反光鍍膜以及紙張、紡織品鍍鋁等。

利用六方氮化硼的耐熱耐侵蝕性可以制作高溫構(gòu)件、火箭燃燒室內(nèi)襯等。六方氮化硼與氮化硅通過氣壓燒結(jié)復(fù)合，可以制作低介電常數(shù)和介電損耗的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈陶瓷天線罩。六方氮化硼陶瓷還可以作為核反應(yīng)堆零部件，提高反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。

合成立方氮化硼的原料

六方氮化硼是生產(chǎn)立方氮化硼的原料之一，在壓力為3000～8000兆帕、溫度為800～1900℃范圍內(nèi)，六方氮化硼與觸媒在高溫高壓下反應(yīng)可轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降饐尉w。

六方氮化硼和立方氮化硼結(jié)構(gòu)對比

而立方氮化硼是繼人造金剛石后，人工合成的一種超硬無機(jī)材料，其硬度僅次于金剛石，立方氮化硼具有優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)定性和對鐵族金屬的化學(xué)惰性，適于加工既硬又韌的材料。利用立方氮化硼進(jìn)行機(jī)械加工，不僅能提高生產(chǎn)率，嚴(yán)格控制工件的形狀和尺寸精度，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性。目前立方氮化硼磨具和刀片廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石油鉆探、石材、機(jī)械、汽車及國防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

導(dǎo)熱塑料的填料

導(dǎo)熱工程塑料是將高導(dǎo)熱填料、加工助劑添加在工程塑料或通用塑料基質(zhì)中復(fù)合而成，可以分為電絕緣型和非電絕緣型兩大類型。電絕緣導(dǎo)熱工程塑料主要針對電子工業(yè)、照明行業(yè)等高集成化和多分層化需求，是針對工程塑料基材的電絕緣性和導(dǎo)熱性同時(shí)有要求的情況而開發(fā)的。

六方氮化硼優(yōu)良的絕緣性能和導(dǎo)熱性能使其成為很受關(guān)注的陶瓷填料。在LED燈具外殼、反射器、手柄、緊固部件、接口、滑動(dòng)部件、風(fēng)扇葉片、操作部件、光孔道等已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。這些LED燈具提高了在電器、醫(yī)療、航空航天、汽車、照明、筆記本電腦等器件的性能。

精密鑄造、有色鑄造脫模劑

六方氮化硼良好的潤滑性及防粘（脫模）性，可以用于精密件、有色金屬鑄件鑄造過程中作為脫模劑，可有效提高鑄件的表面質(zhì)量。六方氮化硼涂覆在金屬及陶瓷等材料后，可以使材料具有良好的潤滑性及防粘（脫模）性，并可阻止或減少材料與熔體之間的化學(xué)反應(yīng)，提高材料壽命。

六方氮化硼還是玻璃加工過程中的理想材料，有助于將玻璃制品的表面缺陷減至最低、使之更容易脫模，提高模具/壓模的使用壽命，減少模具清理所需的時(shí)間，且大多數(shù)玻璃不會(huì)與氮化硼粘結(jié)。

高溫防腐涂料

隨著航空、航天、汽車以及兵器等行業(yè)的迅速發(fā)展，對于金屬材料的使用性能要求越來越高，不僅需要在更高的使用溫度以及更為苛刻的腐蝕環(huán)境下作業(yè)，同時(shí)還要具有抗震動(dòng)、抗疲勞、抗溫度驟變以及耐沖刷等性能，有機(jī)高分子材料已很難滿足使用要求。

六方氮化硼具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在空氣中高達(dá)1000℃、真空中1400℃和在惰性氣體中2800℃都仍然穩(wěn)定，且對大多數(shù)金屬熔體如鋼、不銹鋼、鋁、鐵及銅等既不潤濕又不發(fā)生作用并具有良好的潤滑性能。六方氮化硼涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)，涂層硬度高，抗摩擦，抗沖擊。隨著有色冶煉工業(yè)的發(fā)展，耐高溫氮化硼涂料的用途遍及流槽、分流盤、鑄造臺(tái)內(nèi)襯、過濾箱、轉(zhuǎn)接板、鑄咀、撇渣器、澆包，轉(zhuǎn)運(yùn)包等產(chǎn)品表面。

中子吸收涂料填料

六方氮化硼粉體中硼含量高，硼的熱中子吸收界面大，以六方氮化硼為主要顏填料的涂料，特別是以聚氨酯為成膜介質(zhì)的涂料，不僅具有良好的快中子和慢中子吸收特性，而且呈現(xiàn)明亮的白色，可美化環(huán)境。

化妝品行業(yè)

六方氮化硼帶有靜電粒子，在化妝品中加入3%~30%，不僅可增加化妝品附著力和遮蓋力，還有良好的滑移特性，使彩妝產(chǎn)品緊致、易涂抹、易于清潔去除，不需硬脂酸鹽等添加劑。六方氮化硼粉末為白色，加入化妝品中使膚色白皙?jiǎng)尤?。六方氮化硼比表面積高，有很多懸掛鍵與液體溶劑連接，從而有優(yōu)異的遮蓋性能，營造均勻美白、純凈無暇的效果。

六方氮化硼的最新研究進(jìn)展

作為有望超越石墨烯的二維材料，六方氮化硼近幾年研究成果頗豐。小編收集整理了以下5則比較典型的h-BN研究方向的科技新聞，供讀者參考。

“白色石墨烯”可大幅提升陶瓷材料性能

據(jù)新華網(wǎng)2018年1月17日報(bào)道，美國萊斯大學(xué)科學(xué)家提出，在陶瓷材料里摻入納米材料“白色石墨烯”，可大幅提升陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性以及耐熱、耐輻射等能力，有潛力用于核工業(yè)、航天等需要高性能復(fù)合材料的領(lǐng)域。相關(guān)論文日前已發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)的《應(yīng)用材料與界面》雜志上。

通過模擬計(jì)算顯示，白色石墨烯層能釋放復(fù)合材料所受的力，使其強(qiáng)度比雪硅鈣石高3倍，剛度，即抵抗彈性變形的能力高出約25％，不像普通陶瓷材料那樣容易碎裂。另外，材料的耐熱和耐輻射性能也有明顯提升。

美科學(xué)家成功制備出由單一同位素組成的六方氮化硼

據(jù)美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室2018年1月4日報(bào)道，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室一個(gè)由物理學(xué)家組成的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到改善六方氮化硼器件光學(xué)損耗特性和傳輸效率的手段，使得制備小型激光器和納米光學(xué)器件成為可能。相關(guān)研究成果已發(fā)表在2017年12月11日的《Nature Materials》上。

研究人員通過在極性半導(dǎo)體和介電材料中精心設(shè)計(jì)同位素來克服納米光子學(xué)固有的效率限制，新方法使光學(xué)損耗顯著降低，導(dǎo)致新的光學(xué)模式，使光線行進(jìn)距離增長三倍，并且持續(xù)時(shí)間比天然h-BN長三倍。這些長壽命的振動(dòng)模式不僅能使hBN立即實(shí)現(xiàn)某些功能——如近場光學(xué)和化學(xué)傳感——而且為其他材料系統(tǒng)開發(fā)和利用提供了一種戰(zhàn)略方法。

石墨烯-六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)超快熱傳輸

據(jù)Sciencedaily網(wǎng)站2017年11月29日報(bào)道，在歐盟“石墨烯旗艦”計(jì)劃支持下，西班牙光子科學(xué)研究所制備出由電介質(zhì)二維材料六方氮化硼封裝石墨烯構(gòu)成范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并成功實(shí)時(shí)觀察并跟蹤到范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)間發(fā)生的熱傳輸。

研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的現(xiàn)象：熱流并沒有停留在石墨烯層，而是流向了周圍的六方氮化硼層。面外熱轉(zhuǎn)移時(shí)間非?？?，為皮秒量級(jí)，因此，比面內(nèi)傳熱有優(yōu)勢。研究成果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》。研究成果將對基于六方氮化硼封裝石墨烯的應(yīng)用(也是下一代石墨烯應(yīng)用平臺(tái))產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。特別是，該技術(shù)將為光電子器件設(shè)計(jì)提供方向，以充分利用熱流。

石墨烯/六方氮化硼復(fù)合材料作為電子封裝材料前景如何？

據(jù)合肥物質(zhì)科學(xué)研究院官網(wǎng)2017年10月10日報(bào)道，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所先進(jìn)材料中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)電子封裝材料研究方面取得系列進(jìn)展。

課題組在不破壞材料結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計(jì)自組裝合成出系列石墨烯/六方氮化硼（Graphene/hBN）雜化結(jié)構(gòu)。利用導(dǎo)熱組分在聚合物中選擇性分布，獲得絕緣導(dǎo)熱雜化結(jié)構(gòu)。通過模擬，驗(yàn)證了該雜化材料在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。該研究成果將有望在先進(jìn)電子封裝領(lǐng)域以及熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。

上海微系統(tǒng)所石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)結(jié)研究獲進(jìn)展

據(jù)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所2017年5月5日報(bào)道，研究員謝曉明領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)結(jié)研究取得新進(jìn)展。

Graphene/h-BN平面異質(zhì)結(jié)上的WSe2/MoS2光電器件應(yīng)用

研究人員采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法成功制備出單原子層高質(zhì)量石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)結(jié)，并將其成功應(yīng)用于WSe2/MoS2 二維光電探測器件。該項(xiàng)工作得到了科技部重大專項(xiàng)“晶圓級(jí)石墨烯電子材料與器件研究”以及中科院和上海市科委相關(guān)研究計(jì)劃的資助。