Особенности структурирования ультрадисперсных частиц hBN на поверхностях полиамидных филаментов

Цель. Установление механизма формирования нанопленок из ультрадисперсных двумерных кристаллов гексагонального нитрида бора.
Методы. Плёночные структуры из ультрадисперсных двумерных кристаллов гексагонального нитрида бора создавались как на поверхности филамента, отделенного из полиамидной нити из PA-6, так и на кремниевой подложке. Для закрепления UC hBN из водной коллоидной системы на поверхностях использовалась ультразвуковая обработка. Характеризация UC hBN и пленок из них была выполнена методами: конфокальной, сканирующей электронной с энергодисперсионным элементным анализом зондовой атомно-силовой микроскопии, колебательной спектроскопии ИК-Фурье и комбинационного (рамановского) рассеяния, а также флуоресцентной спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и рентгенофазового анализа, малоуглового рентгеновского рассеяния.
Результаты. Получена зависимость интенсивности линии E_2g (I = 1362,8 см^–1) в спектре RS пленочной структуры, осажденной на поверхности филаментов из водной CS UC hBN от времени UST – tUST. По результатам анализа конфокальных, SEM и AFM-изображений, RS-спектроскопии доказана многослойность пленочных структур UC hBN на поверхности филаментов и кремниевой пластине. В спектре FS зарегистрированы возбуждения на линиях, лежащих внутри запрещенной зоны.
Заключение. Образование структур на поверхностях филаментов и кремниевой пластине из водной коллоидной системы частиц UC hBN после UST в плоскости гексагонов с размерами до 1 мкм за счет ковалентных связей и/или с образованием многослойных структур с высотой от 3,6 до 340 нм – ван-дер-ваальсовых и ионно-ковалентных связей.

1. Perspectives on environmental applications of hexagonal boron nitride nanomaterials / Mengna Li, Gordon Huang, Xiujuan Chenb [et al.] // Nano Today. 2022. Vol. 44. P. 101486(21).

2. Hexagonal boron nitride on III–V compounds: a review of the synthesis and applications / Yufei Yang, Yi Peng, Muhammad Farooq Saleem [et al.] // Materials. 2022. Vol. 15. P. 4396(24). https://doi.org/10.3390/ma15134396.

3. Recent progress in fabrication and application of bn nanostructures and bn-based nanohybrids / D. V. Shtansky, A. T. Matveev, E. S. Permyakova [et al.] // Nanomaterials. 2022. Vol. 12. P. 2810. https://doi.org/10.3390/nano12162810.

4. Novel boron nitride hollow nanoribbons / Zhi-Gang Chen, Jin Zou, Gang Liu, Feng Li [et al.] // ACSNano. 2008. Vol. 2, no. 10. P. 2183–2191.

5. Two dimensional hexagonal boron nitride (2D- hBN): synthesis, properties and applications / Kailiang Zhang, Yulin Feng, Fang Wang [et al.] // J. Mater. Chem. C. 2017. Vol. 5. P. 11992–12022. https://doi.org/10.3390/с7-tca3000G.

6. Перевислов С. Н. Структура, свойства и области применения графитоподобного гексагонального нитрида бора // Новые огнеупоры. 2019. № 6. С. 35–40.

7. Mass fabrication and superior microwave absorption property of multilayer graphene/hexagonal boron nitride nanoparticle hybrids / Yongqing Bai, Bo Zhong, Yuanlie Yu [et al.] // npj 2D Materials and Applications. 2019. Vol. 3(1). P. 32.

8. 2D Hexagonal boron nitride coated cotton fabric with self-extinguishing property / R. Ambekar, A. Deshmukh, M. Suárez Villagrán [et al.] // АCS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12 (40). P. 45274–45280.

9. 2D boron nitride nanosheets for polymer composite materials / Md Golam Rasul, Alper Kiziltas, Babak Arfaei [et al.] // npj 2D Materials and Applications. 2021. Vol. 5. P. 56. https://doi.org/10.1038/s41699-021-00231-2.

10. Large area hexagonal boron nitride monolayer as efficient atomically thick insulating coating against friction and oxidation / Xuemei Li, Jun Yin, Jianxin Zhou and Wanlin Guo // Nanotechnology. 2014. Vol. 25. P. 105701-1–105701-5.

11. Application of hexagonal boron nitride to a heat-transfer medium of an InGaN/GaN quantum-well green LED / Ilgyu Choi, Kwanjae Lee, Cheul-Ro Lee [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11. P. 18876-18884.

12. Developing flame-retardant, antibacterial cotton fabric by incorporating a linear polysiloxanebased coating / Xin Jin, Wennan Li, Shihao Wang [et al.] // Industrial Crops & Products. 2023. Vol. 191. P. 115934-1-115934-14.

13. Heterostructures based on two-dimensional layered materials and their potential applications / Ming-Yang Li, Chang-Hsiao Chen, Yumeng Shi, Lain-Jong Li // Material Today. 2015. Vol. 19(6). http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.003.

14. Topological phase singularities in atomically thin high-refractive-index materials / G. Ermolaev, K. Voronin, D. G. Baranov [et al.] // Natue communications. 2022. Vol. 13. P. 2049. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29716-4.

15. Optical signatures of dirac electrodynamics for hBN– Passivated Silicene on Au(111) / J. Genser, D. Nazzari, V. Ritter [et al.] // Nano Lett. 2021. Vol. 21. P. 5301-5307.

16. Jingang Wang, Fengcai Ma, Mengtao Sun. Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications // RSC Adv. 2017. Vol. 7. P. 16801–16822.

17. Perfect interference less absorption at infrared frequencies by a van der Waals crystal / D. G. Baranov, J. H. Edgar, T. Hoffman [et al.] // Physical Review B. 2015. Vol. 92. P. 201405(R).

18. Enhanced microwave absorption properties of graphite nanoflakes by coating hexagonal boron nitride nanocrystals / Bo Zhong, Wei Liu, Yuanlie Yu [et al.] // Applied Surface Science. 2017. Vol. 420. P. 858–867. https://doi.org/ 10.1016/ j.apsusc.2017.05.232.

19. Wei Zhou, Peng Xiao, Yang Li. Preparation and study on microwave absorbing materials of boron nitride coated pyrolytic carbon particles // Applied Surface Science. 2012. Vol. 258.

20. P. 8455–8459.

21. Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers / Toan Trong Tran, K. Bray, M. J. Ford [et al.] // Nature Nanotechnology Letters. 2016. Vol. 11. P. 37–41. https://doi.org/10.1038/NNANO.2015.242.

22. Optical contrast signatures of hexagonal boron nitride on a device platform / Yanan Wang, Vivian Zhou, Yong Xie [et al.] // Optical Materials Express. 2019. Vol. 9, no. 3. P. 1223.

23. Deep ultraviolet light-emitting hexagonal boron nitride synthesized at atmospheric pressure / Y. Kubota, K. Watanabe, O. Tsuda, T. Taniguchi // Nanomaterials. 2019. Vol. 9. P. 1047.

24. Two-dimensional material nanophotonics / Fengnian Xia, Han Wang, Di Xiao [et al.] // Nature Photonics. 2014. Vol 8. P. 899–907.

25. Mechanics and mechanically tunable band gap in single-layer hexagonal boron-nitride / Jiangtao Wu, Baolin Wang, Yujie Wei [et al.] // Mater. Res. Lett. 2013. Vol. 1, no. 4. P. 200–206. http://dx.doi.org/10.1080/21663831.2013.824516.

26. Raman signature and phonon dispersion of atomically thin boron nitride / Qiran Cai, Declan Scullion, Aleksey Falin [et al.] // Nanoscale. 2017. Vol. 9(9). P. 3059–3067. https://doi.org/10.1039/C6NR09312D.

27. Thermoelectric transport across graphene / hexagonal boron nitride/graphene heterostructures / Chun-Chung Chen, Zhen Li, Li Shi, S. B. Cronin // Nano Research. 2014. Vol. 8. P. 666–672. https://doi.org/10.1007/s12274-014-0550-8.

28. Reich S., Ferrari A. C. Resonant Raman scattering in cubic and hexagonal boron nitride // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. P. 205201.

29. Lee J. U., Kim M., Cheong H. Raman spectroscopic studies on two-dimensional materials // Appl. Microsc. 2015. Vol. 45. P. 126–130.

30. A low frequency raman-active vibration of hexagonal boron nitride / T. Kuzuba, K. Era, T. Ishii, T. Sato // Solid State Communications. 1978. Vol. 25. P. 863–865.

31. Low frequency Raman spectroscopy of few-atomic-layer thick hBN crystals / I. Stenger, L. Schué, M. Boukhicha [et al.] // 2DMater. 2017. Vol. 4. P. 031003.

32. Ордин С. В., Шарупин Б. Н., Федоров М. И. Нормальные решеточные колебания и кристаллическая структура анизотропных модификаций нитрида бора // Физика и техника полупроводников. 1998. № 98(9). C. 1033–1042.

33. Light emission and excitonic effect of boron nitride nanotubes observed by photoluminescent spectra / Hua Chen, Ying Chen, Yun Liu [et al.] // Optical Materials. 2007. Vol. 29. P. 1295–1298. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2006.05.006.

34. Дзюба В. П., Амосов А. В., Кульчин Ю. Н. Экситоны и низкопороговая оптическая нелинейность диэлектрических наносистем // Вестник Дальневосточного отделения Академии наук. 2016. № 4. С. 47–55.

35. Raman spectroscopy of shear and layer breathing modes in multilayer MoS2 / X. Zhang, W. P. Han, J. B. Wu [et al.] // Physical Review. B. 2013. Vol. 87. P. 115413(8). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.115413

36. ABINIT: First-principles approach of materials and nanosystem properties / X. Gonze, B. Amadon, P. M. Anglade [et al.] // Computer Phys. Comm. 2009. Vol. 180. P. 2582–2615.

37. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamic / M. Beckstedte, A. Kley, J. Neugebauer, M. Scheffler // Comput. Phys. Commun. 1997. Vol. 107. P. 187–205.

38. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. P. 3865.

39. Hamann D. R. Optimized norm-conserving Vanderbilt pseudopotentials // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 085117.

40. The PseudoDojo: Training and grading a 85 element optimized norm-conserving pseudopotential table / Van Setten, M. J. Giantomassi, M. E. Bousquet [et al.] // Computer Physics Communications. 2018. Vol. 226. P. 9–54.

41. Broyden C. G. The convergence of a class of double-rank minimization algorithms // Journal of the Institute of Mathematics and Its Applications. 1970. Vol. 6. P. 76–90.

42. Fletcher R. A new approach to variable metric algorithms // Computer Journal. 1970. Vol. 13 (3). P. 317–322.

43. Goldfarb D. A family of variable metric updates derived by variational means // Mathematics of Computation. 1970. Vol. 24 (109). P. 23–26.

44. Shanno D. F. Conditioning of quasi-Newton methods for function minimization // Mathematics of Computation. 1970. Vol. 24 (111). P. 647–656.

45. Thin-film composite polyamide membrane modified by embedding functionalized boron nitride nanosheets for reverse osmosis / Ruoxin Wang, Ze-Xian Low, Shasha Liu [et al.] // Journal of Membrane Science. 2020. Vol. 611. P. 118389.

46. Ab initio calculations of aluminium clustering on aluminium surfaces / A. P. Kuz'menko, N. A. Khokhlov, Lin Ko Ko [et al.] // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1455. P. 012001.

47. Oleylamine functionalization of boron nitride nano-platelets for Polyamide-6 thermally conductive injection moulded composites / M. Bragaglia, L. Paleari, F. R. Lamastra [et al.] // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2023. Vol. 36(7). P. 2862–2882.