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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維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）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（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、高強度、高透光率、優(yōu)良的導熱能力等特點，無論是在理論研究還是應用領(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、黑磷烯的半導體性、錫烯的超導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開講，“白色石墨烯”的性質(zhì)及應用。

“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，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結(jié)合。

雖然結(jié)構(gòu)類似，但是兩者在電學性能方面卻有著天壤之別。六方氮化硼因為層狀結(jié)構(gòu)中沒有可自由移動的電子，是一種天然絕緣體，而石墨烯卻是一種優(yōu)良的導體。

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、良好的導熱性和電絕緣性、寬帶隙（約5.5 eV）、獨特的紫外發(fā)光性能、潤滑性好、機械強度高、耐化學腐蝕性，具有中子吸收能力等明顯特點。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)示意圖

“白色石墨烯”的廣泛應用

所謂結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定應用，六方氮化硼具備的多種特性，使得它被廣泛應用于高科技領(lǐng)域。如：制備立方氮化硼、陶瓷制品、導熱塑料、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。局部高熱流熱點的熱管理是大功率電子器件的關(guān)鍵，不理想的散熱會造成芯片中特殊區(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率（5300W/( m·K) ），但是在實驗中發(fā)現(xiàn)，芯片表面的二氧化硅絕緣層厚度會影響石墨烯的散熱效果，二氧化硅層太厚會阻礙熱點熱量向石墨烯層有效傳導，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電性和與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應造成應用受限時特別有用，并且h-BN的潤滑機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，在紡織機械上不會污染纖維制品，因此可大量用在合成纖維紡織機械潤滑上；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格高昂，已超過了氮化硼粉體的價格，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。其典型應用是電子零件，尤其是在硅半導體加工中應用頗多：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，熱電偶保護管，高溫窯爐固定和支撐體等。

六方氮化硼與二硼化鈦復合制備的導電復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)復合，可以制作低介電常數(shù)和介電損耗的遠程導彈陶瓷天線罩。六方氮化硼陶瓷還可以作為核反應堆零部件，提高反應堆運行的安全性。

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惰性，適于加工既硬又韌的材料。利用立方氮化硼進行機械加工，不僅能提高生產(chǎn)率，嚴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用于地質(zhì)勘探、石油鉆探、石材、機械、汽車及國防工業(yè)等各個領(lǐng)域。

導熱塑料的填料

導熱工程塑料是將高導熱填料、加工助劑添加在工程塑料或通用塑料基質(zhì)中復合而成，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熱性同時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、滑動部件、風扇葉片、操作部件、光孔道等已經(jīng)得到了廣泛應用。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反應，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間，且大多數(shù)玻璃不會與氮化硼粘結(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)，同時還要具有抗震動、抗疲勞、抗溫度驟變以及耐沖刷等性能，有機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穩(wěn)定性，在空氣中高達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，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、鑄造臺內(nèi)襯、過濾箱、轉(zhuǎn)接板、鑄咀、撇渣器、澆包，轉(zhuǎn)運包等產(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動人。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日報道，美國萊斯大學科學家提出，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合材料的領(lǐng)域。相關(guān)論文日前已發(fā)表在美國化學學會的《應用材料與界面》雜志上。

通過模擬計算顯示，白色石墨烯層能釋放復合材料所受的力，使其強度比雪硅鈣石高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)美國海軍研究實驗室2018年1月4日報道，美國海軍研究實驗室一個由物理學家組成的科研團隊已經(jīng)找到改善六方氮化硼器件光學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體和介電材料中精心設(shè)計同位素來克服納米光子學固有的效率限制，新方法使光學損耗顯著降低，導致新的光學模式，使光線行進距離增長三倍，并且持續(xù)時間比天然h-BN長三倍。這些長壽命的振動模式不僅能使hBN立即實現(xiàn)某些功能——如近場光學和化學傳感——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)可實現(xiàn)超快熱傳輸

據(jù)Sciencedaily網(wǎng)站2017年11月29日報道，在歐盟“石墨烯旗艦”計劃支持下，西班牙光子科學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)，并成功實時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)移時間非?？欤瑸槠っ肓考?，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用(也是下一代石墨烯應用平臺)產(chǎn)生深遠影響。特別是，該技術(shù)將為光電子器件設(shè)計提供方向，以充分利用熱流。

石墨烯/六方氮化硼復合材料作為電子封裝材料前景如何？

據(jù)合肥物質(zhì)科學研究院官網(wǎng)2017年10月10日報道，中科院合肥物質(zhì)科學研究院應用技術(shù)研究所先進材料中心研發(fā)團隊在先進電子封裝材料研究方面取得系列進展。

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

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日報道，研究員謝曉明領(lǐng)導的研究團隊在石墨烯/六方氮化硼平面異質(zhì)結(jié)研究取得新進展。

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

研究人員采用化學氣相沉積（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)，并將其成功應用于WSe2/MoS2 二維光電探測器件。該項工作得到了科技部重大專項“晶圓級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)研究計劃的資助。