亚稳超硬材料的相变研究取得进展

关键词 超硬材料 , 氮化硼|2019-05-21 17:25:17
摘要 近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部陈春林研究员、马秀良研究员、叶恒强院士与东京大学YuichiIkuhara教授、NIMS谷口尚教授等人合作,利...

       近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部陈春林研究员、马秀良研究员、叶恒强院士与东京大学Yuichi Ikuhara教授、NIMS谷口尚教授等人合作,利用像差校正电子显微术在原子尺度上研究了纤锌矿型氮化硼中的缺陷结构及其对材料相变的影响,发现材料中的三维缺陷网络可显著提高该亚稳超硬材料的稳定性,突破了人们对材料缺陷与相变关系的传统认识。相关成果于5月17日在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上在线发表。

  纤锌矿型氮化硼是硬度接近于金刚石的超硬材料,有望在许多应用领域中替代金刚石。此外,纤锌矿型氮化硼还是一种很有前景的宽带半导体,具有比氮化镓更宽的能隙、更高的导热性等优点,有望在高性能电子器件中得到应用。然而,纤锌矿型氮化硼是一种高压亚稳相,在常压下极易转变为六角氮化硼(具有类似于石墨的结构),通常仅能通过冲击波压缩法制备微米尺寸的纤锌矿型氮化硼。如何制备较大尺寸的纤锌矿型氮化硼并使其在常温常压下保持稳定是个具有挑战性的问题,相关机理尚不清楚。

  研究团队通过高温高压处理六角氮化硼单晶的方法制备了毫米尺寸的纤锌矿型氮化硼晶体,并利用扫描透射电子显微术与第一性原理计算相结合的方法系统地研究了纤锌矿型氮化硼中的缺陷结构及其对材料相变的影响。电子显微学研究发现纤锌矿型氮化硼中基面上的层错与棱柱面上的倒反畴界相交在一起从而形成一个三维缺陷网络。该缺陷网络将氮化硼晶体分割为平均尺寸约十几纳米的棱柱体,相邻的棱柱体具有相反的晶体极性。层错与倒反畴界相交形成了数量众多的“层错-倒反畴界结”,交叉点的核心结构包含一个混合型不全位错。第一性原理计算表明三维缺陷网络可显著抑制锌矿型氮化硼向六角氮化硼的相变,极大地提高了材料的稳定性。传统相变理论认为材料中的结构缺陷具有较高的能量、易于偏析杂质原子,通常是材料相变的易形核位置,会促进相变的发生。本研究发现的三维缺陷网络对材料相变的显著抑制作用,突破了人们对材料缺陷与相变关系的传统认识。

  该项研究得到了中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金与国家青年千人计划等项目的资助。

  该工作的全文链接(PDF文件)https://www.pnas.org/content/early/2019/05/16/1902820116

微信截图_20190521101808.png


  图1、利用六角氮化硼(h-BN)高温高压条件下相变的方法制备的纤锌矿型氮化硼(w-BN)晶体。 (A)高质量六角氮化硼单晶,(B) 合成的纤锌矿型氮化硼晶体为黑色,(C) 晶体相变前后的X射线衍射图; (D) 纤锌矿型氮化硼的拉曼光谱。

微信截图_20190521101900.png


  图2、纤锌矿型氮化硼的显微结构。(A,B)沿[-2110]晶带轴的TEM明场像(a)和相应的选区电子衍射(b)。材料中形成了(0001)界面上的层错(ISF)和(01-10)棱柱面上的倒反畴界(IDB)组成的两类平面缺陷。红色虚线表示晶界。(C,D)沿[0-110]晶带轴的TEM明场像(C)和相应的选区电子衍射(D)。从中可在在(-2110)面上没有平面缺陷。

微信截图_20190521101912.png


  图3、纤锌矿型氮化硼的层错(ISF)和倒反畴界(IDB)的原子结构。(A,B) 层错的HAADF像(A)和相应的ABF像(B)。层错改变了w-BN原子层的堆垛顺序。 (C,D) 倒反畴界的HAADF像(C)和相应的ABF像(D),倒反畴界改变了材料的晶体极性。(E,F) 层错(ISF)和倒反畴界(IDB)交叉区域的HAADF像(E)和相应的ABF像(F)。两组垂直的平面缺陷交叉在一起形成了“层错-倒反畴界结”,并形成了柏氏矢量为1/3[10-10]的混合型不全位错。

微信截图_20190521102308.png


  图4、层错(ISF)和倒反畴界(IDB)交织在一起构成三维缺陷网络的示意图。三维缺陷网络将w-BN分割为平均尺寸约十几纳米的棱柱体,相邻的棱柱体具有相反的晶体极性。

微信截图_20190521102315.png


  图5、第一性原理分子动力学模拟分析层错(ISF)对w-BN热稳定性的影响。(A–D)完美w-BN的结构演变过程。随着温度的升高,w-BN逐渐转变为类h-BN结构,温度升到97K时相变完成。(E–H)包含一个层错(ISF)的w-BN的结构演变过程。层错可以显著地抑制w-BN的相变,该结构的完全相变温度为360 K。


  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

河南首批优势特色本科专业集群公示,郑大与商丘师院聚焦超硬材料入选

河南首批优势特色本科专业集群公示,郑大与商丘师院聚焦超硬材料入选

近日,河南省教育厅发布公示,经高校申报、资格审核、答辩评审,拟立项培育34个河南省优势特色本科专业集群。其中,郑州大学的“前沿新材料专业集群”和商丘师范...

日期 2026-03-02   刀具新闻
校友企业邢台惠捷:筑造超硬材料砂轮高地

校友企业邢台惠捷:筑造超硬材料砂轮高地

​为深化校企联动,凝聚校友力量,探寻邢襄大地校友企业在产业赛道上的深耕密码,近日我们走进了1985级材料系无机非金属材料专业校友张建莉任职总经理的邢台惠...

日期 2026-02-12   刀具新闻
商丘市政协常委张慧: 强化龙头引领 深化产业融合 全力推动我市超硬材料产业高质量发展

商丘市政协常委张慧: 强化龙头引领 深化产业融合 全力推动我市超硬材料产业高质量发展

“超硬材料作为关键战略材料,对保障产业链安全、推动产业升级具有重要意义,我市需紧抓机遇,全力推动该产业向高端化、品牌化、绿色化与融合化深度发展。”商丘市...

日期 2026-02-12   刀具新闻
河南表彰100名非公经济人士,超硬材料行业2人上榜

河南表彰100名非公经济人士,超硬材料行业2人上榜

近日,中共河南省委统战部、河南省工业和信息化厅、河南省人力资源和社会保障厅、河南省市场监督管理局、河南省工商业联合会决定,授予宋川等100名个人“河南省...

日期 2026-02-06   刀具新闻
丹阳超硬材料工具产业稳健增长 2025年开票销售超百亿

丹阳超硬材料工具产业稳健增长 2025年开票销售超百亿

​据丹阳市人民政府消息,在28日举行的市超硬材料工具商会2025年年会上获悉,面对复杂外部环境,丹阳市超硬材料工具行业过去一年实现稳健发展,全行业开票销...

日期 2026-02-06   刀具新闻
超硬材料人才培养联盟在郑州成立

超硬材料人才培养联盟在郑州成立

1月30日,超硬材料人才培养联盟成立仪式在郑州大学举行。河南省教育厅二级巡视员曹克舜,河南工业大学副校长白艳红,商丘师范学院副校长翟滨,许昌学院副校长杜...

日期 2026-02-06   刀具新闻
丹阳市超硬材料工具商会迎新春年会隆重举行 全市130余家工具企业汇聚一堂喜迎新春

丹阳市超硬材料工具商会迎新春年会隆重举行 全市130余家工具企业汇聚一堂喜迎新春

银蛇飞舞辞旧岁,骏马奔腾迎新春!元月二十八日丹阳市超硬材料工具商会迎新春年会在香逸大酒店隆重举行,中国五金交电化工商业协会理事长王家生、副理事长周德益、...

日期 2026-02-06   刀具新闻
美日联合建设高温高压金刚石项目对我国超硬材料行业的影响分析

美日联合建设高温高压金刚石项目对我国超硬材料行业的影响分析

​近日,路透社援引消息人士独家报道,在去年美日达成的贸易协议框架下,日本曾承诺对美国投资5500亿美元,其中依托元素六(ElementSix)投资5亿美...

日期 2026-02-06   刀具新闻
重磅投资!郑州高新区建设高性能超硬材料制品产业园

重磅投资!郑州高新区建设高性能超硬材料制品产业园

​1月21日,郑州市城乡建设局发布关于调整城市更新项目库的通知,位于高新区的创新大道产业服务片区项目正式入库,这标志着郑州高新区超硬材料产业迎来发展新阶...

日期 2026-02-06   刀具新闻
河南超硬材料产业突破关键技术 实现高端制造领域国产替代

河南超硬材料产业突破关键技术 实现高端制造领域国产替代

​据河南省科学技术厅消息,河南作为我国超硬材料产业的核心区,正通过持续创新,在半导体芯片制造、高端芯片散热等关键领域实现技术突破与国产化替代,推动产业向...

日期 2026-01-29   刀具新闻