六方晶窒化ホウ素（h-BN）：構造、特性、応用

はじめに

窒化ホウ素（BN）には、立方晶（c-BN）、六方晶（h-BN）、アモルファス相など、いくつかの結晶形が存在する。中でも六方晶窒化ホウ素は、その構造が黒鉛に似ており、熱安定性、電気絶縁性、化学的不活性を兼ね備えていることから、最も注目を集めている。しばしば「白色黒鉛」と呼ばれるh-BNは、現在、マイクロエレクトロニクス、高温工学、先端複合材料などに広く使われている。

構造と本質的特性

六方晶窒化ホウ素は、ABAB積層配置の層状六方晶格子を採用している。各層は、強い面内共有結合で結合されたホウ素原子と窒素原子で交互に構成されています。ファンデルワールス力によって支配される層間相互作用により、この材料は機械的に異方性を持ち、面内では硬く、面外では容易に劈開する。

h-BNとグラファイトは格子形状が似ているが、電子構造は根本的に異なる。グラファイトは非局在化したπ電子によって導電性を示すが、h-BNはイオン性のB-N結合を持ち、ワイドバンドギャップ絶縁体（～5.9eV）である。

主な特性

• 結晶構造六方晶

• 格子定数: a ≈ 2.50 Å, c ≈ 6.66 Å

• 層間間隔~3.33 Å

• バンドギャップ：～5.9 eV（間接的）

• 密度：～2.1 g/cm^3

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熱物理学的および化学的特性

h-BNは、熱伝導性、熱安定性、耐薬品性のユニークな組み合わせを示す：

• 熱伝導率面内では最大200-400W/m・K、面外では著しく低い。

• 熱膨張率異方性：面内では～2×10^-6 K^-1、面外ではより大きい。

• 化学的安定性ほとんどの酸と塩基に対して不活性で、空気中では～1000℃まで安定。

• 潤滑性摩擦係数が低く、真空や酸化環境でも安定。

これらの特性により、h-BNは熱、酸化、摩耗を伴う過酷な環境に適している。

合成技術

六方晶窒化ホウ素（h-BN）の合成経路は、その構造品質、横方向サイズ、厚み制御、および欠陥密度を直接決定します。大別すると、合成法はトップダウンの剥離戦略とボトムアップの化学成長技術に分類できる。

トップダウン法

これらの方法は、バルクのh-BNから開始し、より薄いフレークまたは数層のシートへと還元する。

機械的剥離
この方法は、しばしば「スコッチテープ」技法と呼ばれ、バルクのh-BN結晶から接着材料を用いて物理的に層を剥離する。利点は、得られるフレークの高い結晶性と低い欠陥密度にあり、基礎研究や高性能二次元デバイスに最適である。しかし、このプロセスは手作業で時間がかかり、本質的に収率が低いため、大規模生産や商業生産には不向きである。

液相剥離法（LPE）
LPEは、適切な溶媒（N-メチル-2-ピロリドン、イソプロパノール、界面活性剤水溶液など）中で超音波処理または高せん断混合を行い、バルクのh-BNを数層のナノシートに剥離する。この方法は、機械的剥離よりも処理能力が高く、グラムレベルまたはそれ以上まで拡張可能である。しかし、このプロセスではしばしば構造欠陥、エッジの酸化、シートの断片化が生じ、電気的・機械的特性が劣化する可能性がある。通常、剥離後に遠心分離を行い、所望の厚さとサイズ分布のフレークを選択する。

トップダウン法の課題：

• 横方向の寸法と厚みの制御が制限される。

• 界面活性剤や溶剤を完全に除去することが難しい。

• LPEの欠陥密度が高いと、熱的・電子的性能が制限される可能性がある。

ボトムアップ法

ボトムアップ法は、膜成長を原子レベルで制御でき、均一性、膜厚精度、集積度が重要な場合に好まれる。

化学気相成長法（CVD）
CVDは、数層または単層h-BNのウェーハスケール合成に最も有望な方法である。一般的な前駆体には以下が含まれる：

• アンモニアボラン（NH3-BH3）：熱分解によりBNを生成する。

• ボラジン（B3N3H6）：B-N結合がすでに存在する環状化合物で、結晶性が高い。

• B-トリクロロボラジン（B3N3Cl3）やジボラン＋アンモニア混合物も研究されている。

成長は通常、銅、ニッケル、鉄箔などの遷移金属基板上で、900℃から1100℃の温度で行われる。基板の種類は、核生成密度、粒径、配向に影響する。h-BNを絶縁体や半導体の表面に集積する場合は、転写プロセスが必要となる。

CVDの品質に影響する主なパラメーター

• プリカーサーの流量と純度

• チャンバー圧力（低圧CVDではより大きなドメインが得られる）

• 基板の結晶性と配向性

• 成長後の冷却速度（粒界形成に影響する）

ポリマー由来セラミックス（PDC）
PDC合成では、ポリボラジレンやポリ[B-トリクロロボラジン]などのホウ素および窒素含有ポリマー前駆体を熱分解する。制御された雰囲気下（多くの場合、アンモニアまたは窒素）で、これらの前駆体は分解して窒化ホウ素セラミックスになります。この方法は、るつぼ、絶縁体、コーティングのようなバルクまたは形状のh-BNコンポーネントの製造に適している。このプロセスは、繊維強化材や多孔質足場との統合を可能にし、構造複合材料に理想的です。

PDCの利点

• 精密な化学量論的制御

• 熱分解前のカスタム成形

• 機械的および熱的用途に適した、緻密で無孔質のセラミックスを製造する能力

要約とトレードオフ

応用分野

エレクトロニクスおよび絶縁システム
高い絶縁耐力を持つ原子レベルで平坦な絶縁体であるh-BNは、2次元電子デバイスのゲート絶縁膜、基板、封止層として、特にグラフェンやTMDのヘテロ構造に広く使用されています。

高温コンポーネント
h-BNは、その耐熱衝撃性と不活性性から、炉部品、るつぼ、熱保護システムなどの航空宇宙用途に使用されています。

固体潤滑剤とコーティング
h-BNは、高温や大気中でも潤滑性を維持し、金属成形や航空宇宙アセンブリのような酸化環境において、グラファイトよりも優れています。

ポリマー・セラミック複合材料
ポリマーやセラミックにh-BNを組み込むことで、電気絶縁性を維持しながら熱伝導性と寸法安定性を高めることができます。代表的な用途としては、サーマルインターフェイス材料（TIM）や構造用絶縁体などがあります。

フォトニクスとUVオプティクス
h-BNの紫外における高い光学的透明性とフォノン-ポラリトン挙動は、深紫外フォトニクスや非線形光学用途に有望である。

6.結論

六方晶窒化ホウ素は、広いバンドギャップ、高い熱伝導性、優れた耐薬品性を併せ持つ稀有な材料である。その異方性構造と他の2次元材料との互換性により、次世代のエレクトロニクス、光学、熱システムにとって不可欠な構成要素となっている。現在進行中の研究は、その統合を拡大しつつある：

• スケーラブルなCVDベースの2D材料プラットフォーム

• 設計された界面を持つ高性能複合材料

• 双曲フォノン分散を利用した光学デバイス

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)では、産業および研究用途に合わせた高純度h-BN粉末、コーティング、焼結形状を提供しています。当社の窒化ホウ素材料がお客様の次のプロジェクトにどのように適合するかについては、当社の技術チームにお問い合わせください。