4.1.1 Propiedades y aplicaciones de los nitruros de
carbono
Los compuestos orgánicos ricos en nitrógeno, se caracterizan por ser muy buenos oxidantes y también por su elevada estabilidad térmica.[Brown 1975] Las razones para explicar estas propiedades, son la alta energía de disociación de enlaces sencillos o múltiples carbono- nitrógeno, así como la alta electronegatividad del nitrógeno. Las reacciones de oxidación son más difíciles con compuestos ricos en nitrógeno que con otros compuestos orgánicos tales como los hidrocarburos, por ejemplo.
Independientemente del proceso preparativo, la estructura química y su composición, los nitruros de carbono en diferentes estequiometrías, muestran un gran potencial en cuanto a sus propiedades químicas y mecánicas, incluyendo baja densidad, dureza extrema, químicamente inertes, biocompatibilidad y especiales propiedades ópticas y eléctricas.[Huynh
2005]
Muchos de los nitruros de carbono se caracterizan por una alta resistencia a la corrosión, bajo coeficiente de fricción y una excelente resistencia al desgaste.[Zhang 1999],[Wei 1999] Generalmente, los nitruros de carbono ricos en nitrógeno presentan estructuras desordenadas con una composición variable y con bajo orden cristalino. Aún así, recientemente se han encontrado importantes aplicaciones como organocatalizadores libres de metal y como componentes para emisores de luz y en sensores químicos.[Holst 2008]
Desde el punto de vista experimental, los éxitos más sobresalientes en síntesis de nitruros de carbono se han dado con morfologías laminares. Actualmente, el mayor número de aplicaciones se encuentran para los films de CNx. Los recubrimientos CNx, sintetizados por
ablación láser, exhiben termoluminiscencia (propiedad típica de materiales semiconductores y aislantes, que consiste en la capacidad de radiación en forma de luz al aplicar calor al material, independientemente de la emisión producida por incandescencia) con dos máximos a 150 y 290 ºC.[Escobar 2002] Se sugiere el uso de este material para fabricación de dosímetros basados en termoluminiscencia.
La técnica de deposición física de vapor (PVD) es utilizada para depositar recubrimientos del material CNx los cuales son muy utilizados en aplicaciones para láminas
funcionales como las láminas delgadas ITO/CNx/Al para células solares.[Zhou 2002] Si
comparamos los recubrimientos amorfos de CNx con recubrimientos de carbono amorfo, se
observa que la emisión de electrones comienza a menores campos eléctricos y rendimientos mayores a una misma densidad de corriente.[Sugimura 2001] Recientemente, se han utilizado recubrimientos de nitruros de carbono ricos en nitrógeno como láminas funcionales en sensores de humedad y en detectores de gases microelectromecánicos (MEM).[Kulisch 2001] También se ha patentado un transistor de efecto de campo con sensibilidad iónica, donde la fuente es una lámina de nitruro de carbono.[Grueger 2003]Examinando las propiedades eléctricas y ópticas de los recubrimientos CNx, se observa que estos materiales pueden ser totalmente
transparentes a la luz, algo que se corresponde con las predicciones teóricas de un ancho de banda prohibida (“gap”) elevado.[Ivanov 1999], [Xu 2000]Adicionalmente, los film films de CNxcon
estructura amorfa presentan alta resistencia eléctrica y baja constante dieléctrica.[Aono 1999] A pesar de tener todas estas propiedades, quizás la más significativa es su elevada dureza, o alta resistencia a la penetración por parte de otro material más duro, sufriendo pequeñas o nulas deformaciones. Si nos centramos a nivel microscópico, para un sólido ideal, la dureza H puede ser evaluada gracias al módulo de volumen B[Liu 1989]medido en MBar.
5 . 3 ) 220 1971 ( 4 1 Nc d B (4.1)
Donde Nc es el número de coordinación medio, d es la longitud de enlace en Å, λ es la
medida del carácter iónico del compuesto, que tomará valores de cero en compuestos homopolares semiconductores del grupo IV mientras que para los heteropolares de los grupos del III al V, λ=1 y para los pertenecientes a los grupos II al VI, λ=2. Para alcanzar un alto valor en B, es por tanto necesario un bajo carácter iónico y una distancia de enlace pequeña.
La ecuación matemática que relaciona el módulo B con la dureza H se toma desde la ecuación 4.2: 2 . 68 189 . 0 B H (4.2)
Para el caso concreto del β-C3N4, posee una distancia interatómica más favorable
incluso si lo comparamos con el diamante, 1.47 Å frente a 1.54 Å,[Sung 1996]compensando así un pequeño decrecimiento de la covalencia de su enlace, asociado a un menor número de coordinación. Como consecuencia, los nitruros de carbono exhiben un valor teórico del módulo de B, mayor que en el caso de los nitruros de boro y muy próximo al del diamante. Con todo ello, con unos valores de B y H tan elevados, es claro el interés que despiertan los nitruros de carbono ricos en nitrógeno en aplicaciones relacionadas con sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas y tribológicas, incluyendo la dureza, se ha determinado en función de muchos parámetros como son la composición química, el espesor de la lámina y las condiciones de deposición. Hay algunos estudios donde han medido durezas por encima de los 40 GPa.[Miyake 1999], [Gu 2000], [Olszyna 1999], [Gu 1999]La forma polimórfica g-C3N4está despertando un gran interés, por un lado por sus potenciales aplicaciones como
nuevo precursor de nanotubos y formas superduras de nitruros de carbono,[Lowther 1999], [Ortega
1995]
y por otro lado para uso de catálisis heterogénea en la activación de dióxido de carbono.[Goettmann 2007] Además, dada su estabilidad química y su comportamiento semiconductor con un ancho de banda prohibida elevado, se ha conseguido obtener un uso directo de este material, por medio del dopamiento gracias a la inclusión metálica de hierro sobre los nitrógenos ricos en electrones como una aplicación fotocatalítica en la producción de hidrógeno desde agua, empleando como fuente energética la luz solar.[Wang 2008]Gracias al dopamiento se ha conseguido reducir el ancho de banda prohibida del g-C3N4 ajustándolo a
hidrógeno y oxígeno y expandiendo el rango de absorción a la región azul del espectro visible, al igual que se realiza con las porfirinas naturales acomplejándolas con átomos de cobre o zinc.