El nitruro de boro (BN) es un compuesto III-V muy interesante tanto desde el punto de vista científico como tecnológico gracias a las peculiares propiedades que presenta: baja densidad, buena conductividad térmica y resistividad eléctrica, baja reactividad química y elevada transparencia.
Se trata de un compuesto que no se encuentra en la naturaleza de forma natural y, por tanto, ha de ser sintetizado artificialmente. De las condiciones de preparación y síntesis depende que en el material domine la estructura hexagonal (h-BN), cúbica (c-BN), wurtzita (w-BN) o romboédrica (r-BN)
siendo estas dos últimas las menos frecuentes. También puede estar presente en estado amorfo, no cristalino.
El nitruro de boro presenta fases sólidas similares a las del carbono pero diferentes a las que presentan otros sólidos del grupo IV y compuestos del grupo III-V. Por un lado están las fases denominadas de alta densidad, que corresponden al c-BN o zinc blenda y w-BN, comparables al diamante cúbico y a la lonsdaleíta o diamante hexagonal, respectivamente. Por otro lado están las formas de baja densidad, h-BN y r-BN. También existe el nitruro de boro turbostrático (t-BN), como variación de estas últimas, y estructuras cristalinas mixtas o nitruro de boro amorfo con cierto orden de corto alcance. A presión atmosférica, la fase más estable del nitruro de boro es la hexagonal.
Las fases de baja densidad consisten en capas de anillos hexagonales formadas por átomos alternados de B y N con hibridación sp2. La fase más
común es la hexagonal (2.28 g/cm3), en ella las capas de hexágonos se
apilan siguiendo una secuencia AaAa en la que los átomos de boro de una capa se encuentran directamente debajo de los átomos de nitrógeno de la capa siguiente (Figura 3.1). Esta secuencia de apilamiento contrasta con la del grafito hexagonal, ABAB, donde un plano está desplazado respecto a la capa siguiente.
En el h-BN, los átomos de B y N de una misma capa, o plano basal, se encuentran unidos mediante fuertes enlaces de naturaleza covalente-iónica, mientras que los enlaces entre capas son débiles, de tipo Van der Waals. Como consecuencia, la longitud del enlace para los primeros es más corta
Capítulo 3. Crecimiento y caracterización de láminas delgadas de h-BN 49
(0.1446 nm) que para los últimos (0.33306 nm). Los parámetros de red para esta estructura son a=0.250399±0.000005 nm y c=0.66612±0.00005 nm [1]. Una forma menos común es la estructura romboédrica, con una secuencia de apilamiento ABCABC. En el r-BN, los hexágonos de una capa son trasladados paralelamente respecto de los de la capa siguiente, de capa en capa (Figura 3.1). En este caso los parámetros de red son a=0.2507±0.0003 nm y c=1.000±0.001 nm [2]. El nitruro de boro turbostrático es otra forma de baja densidad del BN en el que los planos basales se apilan aleatoriamente a lo largo de la dirección perpendicular a los planos. En este caso, el orden tridimensional está limitado, siendo la distancia entre las capas un 3-4% más grande que la esperada para una estructura perfectamente ordenada.
Figura 3.1. Estructura cristalina del h-BN (izquierda) y del r-BN (derecha)
Entre las fases más densas del nitruro de boro, la cúbica o zinc blenda (=3.48 g/cm3) es la más estable, en contraposición con el resto de nitruros
del grupo III. Su estructura cristalina (Figura 3.2), al igual que el diamante, está formada por dos redes cúbicas centradas en las caras, interpenetradas y
desplazadas una distancia de 1/4 respecto de la diagonal principal. La celda unidad resultante es un cubo de parámetro de red a=0.3615±0.0001 nm [3,4], con cuatro átomos de boro y cuatro de nitrógeno, dado que cada una de las redes contiene sólo átomos de una de las especies. De hecho, cada átomo ocupa el centro de un tetraedro, los vértices del cual son ocupados por cuatro primeros vecinos, que son de la otra especie.
La fase wurtzita del BN es metaestable, tiene una celda unidad hexagonal que contiene seis átomos de boro y seis átomos de nitrógeno. En este caso los parámetros de red son a=0.2553±0.0003 nm y c=0.420±0.003 nm [3,5]. La estructura cristalina (Figura 3.2) consiste en dos capas hexagonales de un solo tipo de átomo cada una, interpenetradas y desplazadas a lo largo del eje c una distancia 5/8c, una respecto a la otra.
Figura 3.2. Estructura cristalina del c-BN(izquierda) y del w-BN (derecha).
Comparando ambas fases, c-BN y w-BN, se observa que las estructuras son muy parecidas. En ambos casos, los átomos se encuentran tetracoordinados, con hibridación sp3, y los primeros vecinos de un átomo de B siempre son
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se encuentra en la secuencia de apilamiento, ABABAB para el w-BN y ABCABC para el c-BN. Esto hace que los segundos vecinos se alternen, en el primer caso, o se eclipsen mutuamente en el segundo caso (Figura 3.2). Otra diferencia es que todos los enlaces del c-BN tienen la misma longitud mientras que en w-BN presenta dos longitudes de enlace ligeramente diferentes. En todos los casos, los enlaces son fuertes, de tipo covalente- iónico, confiriendo a ambas estructuras una dureza muy superior a la de las fases grafíticas. Finalmente, tanto el c-BN como el w-BN presentan planos cristalinos polares, es decir, conteniendo sólo uno de los dos tipos de átomos. Así, el plano polar primario del c-BN es el (111) mientras que el del w-BN es el (0001).
3.2. Composición química. Formación de h-BN por evaporación