붕소 할당체

Allotropes of boron
아모르퍼스 파우더 붕소
붕소(아마도 혼합된 할당량)

붕소는 몇 가지 결정체와 무정형 형태로 준비될 수 있다. 잘 알려진 결정체 형태는 α-롬보헤드랄(α-R), β-롬보헤드랄(β-R), β-테트라곤(β-T)이다. 특수한 상황에서 붕소는 α-테트라곤(α-T)과 α-정형( allot형) 할당체의 형태로도 합성할 수 있다. 두 개의 비정형 형태, 하나는 곱게 쪼개진 가루, 다른 하나는 유리 같은 고체도 알려져 있다.[1][2] 적어도 14개의 할당량이 더 보고되었지만, 이러한 다른 형태는 미미한 증거에 기초하거나 실험적으로 확인되지 않았거나 혼합 할당량 또는 불순물에 의해 안정화된 붕소 프레임워크를 나타내는 것으로 생각된다.[3][2][4][5] β-롬보헤드랄 위상이 가장 안정적이고 다른 위상은 측정 가능한 반면, 상온에서는 변환률이 무시될 수 있으므로 5상 모두가 주변 조건에서 존재할 수 있다. 무정형 분말 붕소와 다결정질 β-롬보헤드랄 붕소가 가장 흔한 형태다. 후자의 할당로프는 매우 단단한[n 1] 회색 물질로 알루미늄보다 약 10% 가벼우며 용융점(2080°C)이 강철보다 수백도 높다.[6]

원소 붕소는 별 먼지와 운석에서는 발견되었지만 지구의 높은 산소 환경에서는 존재하지 않는다. 그것의 화합물에서 추출하는 것은 어렵다. 초기 방법에는 마그네슘이나 알루미늄과 같은 금속으로 산화 붕소를 줄이는 것이 포함되었다. 그러나 제품은 거의 항상 금속 붕소에 오염되어 있다. 순수한 붕소는 휘발성 붕소 할로겐화물을 고온에서 수소와 함께 줄여 준비할 수 있다.[7][8] 반도체 산업에서 사용되는 매우 순수한 붕소는 높은 온도에서 디보레인이 분해되어 생성되며, 구역 용해 또는 Czochralski 공정을 통한 정화가 뒤따른다.[9] 더욱 준비하기 어려운 것은 다형성 및 불순물과 반응하는 붕소의 경향 때문에 순수한 붕소 단계의 단일 결정체로서, 전형적인 수정 크기는 ~0.1 mm이다.[10]

속성 요약

붕소상 α-R α-T β-R β-T γ 무형의
파우더
글래시
대칭 림보헤드랄 4각형 림보헤드랄 4각형 정형외과 반랜덤 반랜덤
발생 통상의 특별한 통상의 통상의 특별한
원자/단위 세포[11] 12 50 105‒108 192 28
밀도(g/cm3)[1] 2.46 2.29‒2.39[12] 2.35 2.36 2.52 1.73 2.34–35
비커즈 경도(GPA)[13][14] 42 45 50–58
벌크 계수(GPA)[14][15] 224 184 227
밴드 간격(eV) 2[16] 1.6[17] ~2.6[18] 2.1[14] 0.56–0.71[19]
색 수정은 선명한 빨간색이다[20]. 검은색과 불투명, 금속 광택이[21] 있는 어둡고 빛나는 은회색[1][2] 검정/빨간색[n 2][22] 다크 그레이[23] 검정색에서 갈색까지[n 3] 불투명한 검은색[1]
최초 보고된[24] 연도 1958 1943/1973[n 4] 1957 1960 2009 1808 1911[25][26]

  • 붕소에 대한 위상 다이어그램의 추출물(α와 β는 림보헤드랄 위상, T는 β-테트라곤상)[11][n 5]

  • α-R 붕소의 구조

  • β-R 붕소의 구조

  • γ보론의 구조

α-흠보헤드랄 붕소

α-롬보헤드랄 붕소는 12개의 붕소 원자의 단위 세포를 가지고 있다. 이 구조는 B
12 이코사헤드라로 구성되어 있는데, 이 이코사헤드라는 각 붕소 원자가 이코사헤드론 안에 가장 가까운 5개의 이웃을 가지고 있다. 만약 결합이 전통적인 공밸런트 타입이었다면 각 붕소는 5개의 전자를 기증했을 것이다. 그러나 붕소는 3개의 발란스 전자만 가지고 있으며, B
12 이코사헤드라의 결합은 3개의 인접한 원자가 형성한 삼각형의 중심에 전자 전하가 축적되는 이른바 3-중앙 전자-결핍 결합에 의해 달성된다고 생각된다.[15]

고립된 B
12 이코사헤드라는 벌집의 불균일성으로 인해 안정적이지 못하다. 따라서 붕소는 분자 고체가 아니라 그 안에 있는 이코사헤드라는 강한 공밸런트 결합으로 연결되어 있다.

α-제곱각형 붕소

순수 α-테트라곤은 등방성 붕소 카바이드(BC502)나 질화물(BN502)의 기초 기질에 침전된 얇은 층으로만 합성할 수 있다.[1] α-테트라곤 붕소의[27] 대부분은 사실 붕소가 풍부한 카바이드나 질화물이다.[28][29]

β-롬보헤드랄 붕소

β-롬보헤드랄 붕소에는 105–105(정확히 105) 원자를 포함하는 단위 셀이 있다. 대부분의 원자는 B 이산12 이코사헤드라를 형성한다; 몇몇 형태는 부분적으로 관통하는 이코사헤드라를 형성하고, 두 개의 삼각형 B10 단위와 하나의 중앙 B 원자가 있다.[30] 오랫동안 α 또는 β 위상이 주변 조건에서 가장 안정적인지 불분명했지만, 점차 β 위상이 가장 열역학적으로 안정적인 할당 로프라는 공감대가 형성되었다.[11][31][32][33][34]

β-제곱각형 붕소

β 페이즈는 1270–1550 °C 온도에서 뜨거운 텅스텐, 레늄 또는 탄탈럼 필라멘트(즉, 화학 증기 증착)에 대한 BBr의3 수소 감소에 의해 1960년에 생성되었다.[35] 추가 연구는 합성을 재현했고 이 단계에서 불순물이 없음을 확인했다.[36][37][38][39]

γ보론

γ-boron : Gandorf[40](하단)의 X선 회절 데이터와 현대 데이터[11] 비교

γ 위상은 B12 이코사헤드라와 B2 쌍의 두 종류의 군집을 NaCl형 배열로 설명할 수 있다. 다른 붕소 단계를 12–20 GPA로 압축하고 1500–1800 °C로 가열하여 생산할 수 있으며, 주변 조건에서도 안정 상태를 유지한다.[11][14] 이 구조에서 B2 쌍에서 B12 이코사헤드라로 상당한 전하가 전달되었다는 증거가 있다.[11] 특히 격자 역학은 상당한 장기 정전기 교호작용이 있음을 시사한다.

이 단계는 1965년 괴도프에 의해 보고되었지만 구조나 화학적 조성은 확립되지 않았다.[40][41] 구조물은 ab initio crystal structure 예측 계산을[11] 통해 해결되었으며, 단일 결정 X선 회절법을 사용하여 확인되었다.[14]

큐빅 붕소

술렌거 외 연구진(1969)[36]과 맥콘빌 외 연구진(1976)은 [42]아르곤 플라즈마 실험에서 얻은 붕소의 입방체 할당 로프를 보고했으며, 1705±3 원자와 2.367g/cm의3 밀도를 가지고 있다. 이 할당 로프는 문헌에 가끔 언급되지만, 그 존재를 확인하거나 불명확하게 하는 후속작들은 출판되지 않은 것으로 보인다.[43] 도노휴(1982)는 단위 세포 내 원자의 수가 동면체와는 관련이 없는 것 같다고 평했다[44](이면체는 붕소 구조에 공통적인 모티브가 된다).

고압초전도상

160 GPA 이상의 붕소를 압축하면 아직 알려지지 않은 구조로 붕소 단계가 생성된다. 반도체인 다른 위상과는 달리 이 위상은 금속으로 임계 온도가 160 GPA에서 6K에서 250 GPA에서 11K로 상승하는 초전도체가 된다.[45] 이 구조적인 변화는 이론이 이코사헤드라가 분리될 것이라고 예측하는 압력에서 일어난다.[46] 이 단계의 구조에 관한 추측에는 얼굴 중심 입방체(알에 대한 아날로그), α-Ga, 몸 중심 4각형체(알에 대한 아날로그)가 포함되었다.[47] 또한 비금속 전환은 구조적인 전환이 아니라 요오드와 함께 발생하는 밴드 갭 폐쇄의 결과일 뿐이라는 주장도 제기되었다.[48]

보로페인

붕소에는 몇 가지 2차원 형태가 존재하며(함께 붕소페네스라고 불리며), 이론적으로 더 많은 것이 예측된다.[49]

보로페렌

2014년 7월 퀘이스트구분자 보로스페렌(B40) 발견이 발표됐다.[50]

아모르퍼스 붕소

아모르퍼스 붕소에는 긴 범위 순서 없이 무작위로 서로 접합된 B정규12 이코사헤드라가 들어 있다.[51] 순수한 아모르퍼스 붕소는 1000 °C 미만의 온도에서 디보레인의 열분해로 생성될 수 있다. 1000 °C에서 어닐링하면 아모르퍼스 붕소가 β-롬보헤드랄 붕소로 변환된다.[52] 아모르퍼스 붕소 나노와이어(두께 30~60nm)[53] 또는 섬유는[54] 각각 자석 스퍼터링과 레이저 보조 화학 증기 증착에 의해 생성될 수 있으며, 또한 1000 °C에서 어닐링 시 β-롬보헤드랄 붕소 나노와이어로 변환된다.[53]

메모들

  1. ^ 질화수소 입방 보론 경도와 견줄 만한 비커즈 경도
  2. ^ 반사된 빛으로 볼 때 검은색, 전송된 빛으로 볼 때 빨간색
  3. ^ 고순도 아모르퍼스 붕소 분말은 검정색인 반면 불순물 표본은 갈색 모양을 하고 있다: 리딘 R. A. (1996) 무기 물질 안내서. 뉴욕: Begell House. 22 페이지; 젠코브, VS.(2006년)."갈색과 검은 붕소의finely-dispersed의 비결정 분말류의Adsorption-chemical 활동 종합해 금속 붕소 화물에 사용되".파우더 금속 공학 금속과 도자기. 45(5–6):279–282(279). doi:10.1007/s11106-006-0076-z.;.Loryan하는 지키르 후세인, E;Borovinskaya, 나. P.;Merzhanov, AG(2011년)."붕소의 질소 가스에 연소에".국제 저널 Self-Propagating 고온 가스 종합의. 20(3):153–155. doi:10.3103/S106138621103006X.;.Kanel, G. 나;Utkin, A.V;Razorenov, S.V(2009년)."그 에너지 방출의 고성능 폭약의는 것으로 평가 나노 크기 붕소 입자들이 들어 있는"(PDF).중앙 유럽 저널 에너제틱 재료. 6(1):15–30(18).
  4. ^ 1943년은 추정된 구조가 처음 보고되었을 때였고, 1973년은 순수 α-테트랑형 붕소가 등방성 붕소 카바이드나 질화탄소의 기초 기질에 침전된 얇은 층으로만 합성될 수 있다는 것이 처음 보고되었을 때였다: 쿤즈만, P. M. (1973) 이코사이드 붕소 골조구조 파생상품의 결정화학에 관한 구조연구 박사 논문. 코넬 대학교; 엠버거, E. (1981) "초소 붕소" K. C.의 부쉬벡에서.. 무기질 및 유기물 화학의 Gmelin 핸드북: B Boron, 보충판 2 (8차 개정) 베를린: Springer-Verlag. 페이지 1–112 (60–61) ISBN 3-540-93448-0.
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참고 문헌 목록

외부 링크