科学家利用等离子体化学气相沉积,制造出高硬度新型硼材料

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阿拉巴马大学伯明翰物理系的教授兼大学学者Vohra现在在《科学报告》杂志上报道了一种新型的富含硼的碳化硼材料的合成。该膜在1英寸的硅晶片上生长,化学性质稳定,具有37%的立方金刚石硬度,并可用作绝缘体。

Yogesh Vohra 博士

新材料的诞生

Yogesh Vohra博士利用微波等离子体化学气相沉积技术,制造出从未见过的材料薄膜。这种材料的硬度接近钻石,并且能够承受极端的压力,温度和腐蚀性环境。

寻找新材料的动机是希望克服金刚石的局限性,金刚石往往会在高于600摄氏度的温度下氧化并与黑色金属发生化学反应。

同样重要的是,对新材料的实验测试(包括X射线衍射以及材料硬度和杨氏模量的测量)与UAB研究小组由陈成建博士助理带领的研究人员计算的预测值非常吻合。

预测值来自第一性原理分析,该原理使用超级计算机驱动的带正电原子核和带负电电子的密度泛函理论计算。

因此,Vohra,Chen和他的同事们都制造了一种新颖的硼碳化合物,并展示了第一性原理分析对这些材料的性能的预测能力。

新材料的结构是什么?

这种新材料的化学式为B50C2,表示晶体结构的每个亚基中有50个硼原子和两个碳原子。关键是两个碳原子分别位于每个晶体亚基中的位置,碳在其他位置的插入会导致材料不稳定和金属化。

碳的精确放置是通过改变生长条件来实现的。

当前的B50C2材料在微波等离子体化学气相沉积系统中生长,使用氢气作为载气,使用乙硼烷-90%的氢气,10%的B2H6和百万分之几的碳-作为反应性气体。

样品在相当于地球上方15英里的大气压的低压下生长,基板温度为约750摄氏度。

Vohra说:“通过化学气相沉积法合成富含硼的碳化硼材料仍然相对缺乏探索性,也是一项艰巨的努力。” “挑战在于找到有利于所需相生长的正确条件。”

“我们的当前研究为预测​​稳定的晶体结构提供了密度泛函理论的验证,并为在压力,温度和腐蚀性环境的极端条件下应用的富硼碳化硼材料提供了亚稳态合成途径。”

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