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亞穩超硬材料的相變研究取得進展
 
2019-05-20 | 文章来源:国研中心材料结构与缺陷研究部        【 】【打印】【關閉

  近期,中國科學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。

  纖鋅礦型氮化硼是硬度接近于金剛石的超硬材料,有望在許多應用領域中替代金剛石。此外,纖鋅礦型氮化硼還是一種很有前景的寬帶半導體,具有比氮化镓更寬的能隙、更高的導熱性等優點,有望在高性能電子器件中得到應用。然而,纖鋅礦型氮化硼是一種高壓亞穩相,在常壓下極易轉變爲六角氮化硼(具有類似于石墨的結構),通常僅能通過沖擊波壓縮法制備微米尺寸的纖鋅礦型氮化硼。如何制備較大尺寸的纖鋅礦型氮化硼並使其在常溫常壓下保持穩定是個具有挑戰性的問題,相關機理尚不清楚。

  研究團隊通過高溫高壓處理六角氮化硼單晶的方法制備了毫米尺寸的纖鋅礦型氮化硼晶體,並利用掃描透射電子顯微術與第一性原理計算相結合的方法系統地研究了纖鋅礦型氮化硼中的缺陷結構及其對材料相變的影響。電子顯微學研究發現纖鋅礦型氮化硼中基面上的層錯與棱柱面上的倒反疇界相交在一起從而形成一個三維缺陷網絡。該缺陷網絡將氮化硼晶體分割爲平均尺寸約十幾納米的棱柱體,相鄰的棱柱體具有相反的晶體極性。層錯與倒反疇界相交形成了數量衆多的“層錯-倒反疇界結”,交叉點的核心結構包含一個混合型不全位錯。第一性原理計算表明三維缺陷網絡可顯著抑制鋅礦型氮化硼向六角氮化硼的相變,極大地提高了材料的穩定性。傳統相變理論認爲材料中的結構缺陷具有較高的能量、易于偏析雜質原子,通常是材料相變的易形核位置,會促進相變的發生。本研究發現的三維缺陷網絡對材料相變的顯著抑制作用,突破了人們對材料缺陷與相變關系的傳統認識。

  该项研究得到了中國科學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。

  該工作的全文鏈接(PDF文件)https://www.pnas.org/content/early/2019/05/16/1902820116

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。

圖2、纖鋅礦型氮化硼的顯微結構。(A,B)沿[-2110]晶帶軸的TEM明場像(a)和相應的選區電子衍射(b)。材料中形成了(0001)界面上的層錯(ISF)和(01-10)棱柱面上的倒反疇界(IDB)組成的兩類平面缺陷。紅色虛線表示晶界。(C,D)沿[0-110]晶帶軸的TEM明場像(C)和相應的選區電子衍射(D)。從中可在在(-2110)面上沒有平面缺陷。

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。

圖4、層錯(ISF)和倒反疇界(IDB)交織在一起構成三維缺陷網絡的示意圖。三維缺陷網絡將w-BN分割爲平均尺寸約十幾納米的棱柱體,相鄰的棱柱體具有相反的晶體極性。

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。

 

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