六方氮化硼与石墨具有非常类似的结构特征和成键性质，但两者的导电性能有着非常的区别，当然导热性能也有区别。这是为啥呢？下文小编与大家一起探讨一下。

图1：石墨（左）与六方氮化硼（右）的机构模型

石墨结构简析

石墨具有层状的平面结构，结构如上图所示，每层中碳原子都排列成蜂窝状晶体结构，层内原子间距0.142nm，层间距0.335nm。层内有σ和π键（示意图可见下图3，σ和π键的解释见下文），层间有范德华力，层间距离较远未形成强化学键。

碳是第六号元素，所以碳原子的电子排布式为：1s22s22p2（碳原子的基态）。在石墨稀层内（即单层的石墨）每个碳原子与最近邻的3个碳原子通过σ键相连接，相邻σ键夹角为120°（σ键由sp2杂化轨道重叠产生，结合力强，sp2杂化轨道原理见图2），剩余的1个p电子轨道垂直于石墨烯平面（p轨道互相平行）。每个碳原子贡献1个未成键的π电子（用P轨道电子参与成键的电子），与周围的原子形成结合力比较弱的π共轭的网络结构。在多原子分子或离子中，如有相互平行的p轨道，它们连贯重叠在一起构成一个整体，p电子可在多个原子间运动形成π型化学键，这种不局限在两个原子之间的π键称为离域π键或共轭大π键（见图3，简称大π键，大π键具有特殊的稳定性。在外加电场的影响下，离域π键中的电子可以在整个石墨层内自由移动，这也就是为啥石墨层导电/导热能力强的原因。

#碳原子的SP2杂化#基态原子在外界能量影响下，通过特定的规则变成激发态，激发态外层的1个S轨道+2个轨道杂化成3个SP2轨道，剩下一个单独的P轨道，示意图如下。

图2：C原子的SP2杂化

（SP2轨道其实还有一个小尾巴，详见下图3）

图3：共轭大π键，属于整个平面的键

共轭/离域大π键的特征，σ键在同一平面， 参与共轭的p轨道相互平行， 且垂直于σ面，相邻的p轨道间从侧面重叠发生键离域，在共轭体系中，π电子云扩展到整个体系。

图4：两个pp轨道共轭电子云

六方氮化硼结构

氮化硼（平均是6个）和碳（6个）是等电子的，性质相似，和碳一样，氮化硼有多种同质异形体，其中六方氮化硼（α-BN）结构则类似于石墨，是一种十分实用的润滑剂，立方氮化硼（β-BN）结构类似于钻石，硬度仅低于金刚石，但耐高温性优于金刚石。

图5：六方氮化硼 (hBN) 晶体的示意图

在石墨烯中，每个碳原子还拥有一个未成对电子，在垂直于平面方向上形成离域π键，π电子能够在面内高速自由移动，赋予了石墨烯优异的电学/热学特性。而单层h-BN是B原子和N原子交替排列形成的类石墨烯的二维蜂窝状结构，相邻B原子和N原子之间同样通过sp2杂化形成σ共价键，键长0.145nm。除了成键电子外，h-BN也有两个未成键电子及两个垂直于平面的p轨道，因此从基本结构上看，两者性能应当相似，但不同的是，BN是极性共价键，由于N的电负性比B大，因此大π键上的电子更倾向于被固定在N的周围无法自由移动（由于没有形成共轭，也有人认为它不应该叫大π键），由于h-BN平面内没有可自由移动的电子，π键上的电子离域性不高，室温下，h-BN中载流子迁移率较低，因此h-BN具有优异的电绝缘性。

h-BN是一种禁带宽度为5~6eV的绝缘体，在紫外发光二极管等光电器件方面有广阔的应用前景。此外，h-BN片层内具有较高的热导率（通过声子震动导热）和较低的热膨胀系数，是理想的散热材料和高温绝缘材料。但与石墨类似的，虽然h-BN的层内平面热导率非常高，但在垂直BN层的方向上（层与层之间缺乏高效导热结构），热导率很低，因此需要通过特殊的工艺来形成有效的导热通道，例如做成片状氮化硼球，结构如下。

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粉体圈编辑：Alpha

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