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新型硼碳化合物的第一性原理计算与实验研究

许立芳  
【摘要】:由轻元素硼和碳组成的B-C二元化合物,通常是由B_(12)二十面体堆垛而成的含碳的富硼晶体,显微硬度为40GPa左右,是硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的高硬度材料。新近的研究发现在B-C化合物体系中存在许多亚稳的富碳的B-C化合物,类金刚石型的B-C化合物的硬度甚至超过了立方氮化硼。一些富碳的B-C化合物还是超导材料,这种既超导又超硬的多功能材料在新型电子器件、医疗器械以及高压电学测量仪器等科学领域有着广阔的应用前景。 已经合成的新型B-C化合物多为类石墨的非晶结构,少数合成的晶态化合物多为纳米或微米量级。并且多数研究集中在B_4C、BC_3、BC_5上,忽略了对其他成分B-C化合物的探索,在B-C二元系中是否存在新型B-C化合物?为解决这个问题,本论文采用基于粒子群优化算法和第一性原理相结合的CALYPSO计算软件系统地预测了不同化学计量比的B-C化合物的晶体结构。借助基于第一性原理的CASTEP计算软件检验了预测的B-C化合物晶体结构的稳定性,研究了可能亚稳存在的B-C化合物的能带结构和态密度。 采用CASTEP计算软件,通过计算弹性常数,研究了C原子的含量对B-C化合物体弹性模量的影响。结果显示增加B-C化合物中C原子的含量有利于提高B-C化合物的抵抗压缩变形和剪切变形的能力。基于极性共价固体硬度的半经验模型计算了高体弹性模量的不同化学计量比B-C化合物的理论维氏硬度,结果显示预测的不同化学计量比的B-C化合物均为超硬材料(维氏硬度大于40GPa),同时研究了C含量对材料硬度的影响。采用利用基于密度泛函理论的Quantum-ESPRESSO软件计算了得到了P4/nmm-B_3C、I4/mmm-BC、P42/mmc-BC_4、P-4m2-BC7的超导转变温度。结果显示随着C含量的增加,B-C化合物的超导温度呈现先降低后增加的趋势。 使用微波辅助电子回旋共振化学气相沉积方法,以乙烯和硼烷为原料制备了以单晶硅(100)为基底的B-C薄膜。使用场发射扫描电子显微镜、掠入射X射线衍射和X射线光电子能谱表征了样品的形貌、成分和结构,薄膜表面致密,颗粒大小比较均匀,薄膜由正交结构的BC25和部分类石墨非晶态物质组成。升高基片温度有利于晶态B-C化合物的生成。 使用轻气炮动高压合成方法,以非晶硼粉和纳米碳粉为原料,利用二级轻气炮为加载手段对样品进行冲击压缩。使用场发射扫描电子显微镜、粉末X射线仪和透射电子显微镜表征了样品的成分、形貌和结构。产物中含有大量的块状晶态颗粒,晶态颗粒包埋在片层状结构中。块状晶体为B_(13)C_2,片层结构为类石墨结构的碳或硼碳。在产物中未发现新的B-C相。


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