BCN和Td-C28基超硬材料的第一性原理研究_4620.pdf

1、材料的維氏硬度（Hυ）高于40GPa被認(rèn)為是超硬的。超硬材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)并且顯示出優(yōu)異的特性：不可壓縮性、耐磨性。使這類材料對(duì)于各種工業(yè)應(yīng)用都是必不可少的，例如車削、切削、鉆孔和研磨。近年來(lái)，全球?qū)Τ膊牧系男枨蠖荚诔掷m(xù)不斷地上升當(dāng)中。
　　碳是一種重要的元素。因?yàn)樗梢孕纬啥喾N雜化類型，并且可以結(jié)合其他元素產(chǎn)生出各種化合物。元素碳有三個(gè)最著名的同素異形體：石墨、金剛石和無(wú)定形碳。自從二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，研究者對(duì)碳的新的同素異

2、形體產(chǎn)生了巨大的興趣。其中包括富勒烯、碳納米管和石墨烯。這些合成的同素異形體對(duì)化學(xué)、物理、材料和信息科學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)均產(chǎn)生了巨大的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生了許多衍生物、設(shè)備和產(chǎn)品?，F(xiàn)在三元的 B-C-N化合物同樣也引起研究者巨大的興趣，有可能在該體系中發(fā)現(xiàn)了新的穩(wěn)定的超硬材料，而且該材料的一些性質(zhì)要優(yōu)于金剛石和c-BN。一些超硬的B-C-N化合物已經(jīng)由高溫和高壓的方法合成出來(lái)了。
　　本文應(yīng)用第一性原理系統(tǒng)地研究了m-BCN的各項(xiàng)

3、性質(zhì)。m-BCN源于一種超硬碳相，我們用B和N原子取代一些碳原子以形成三元材料，以提高其熱力學(xué)穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明：該體系的力學(xué)參數(shù)均較高且符合超硬材料的要求，其維氏硬度為65.9GPa，高于超硬材料的閾值（40 GPa）。靜水壓計(jì)算該體系具有各向異性，且難壓縮程度接近于c-BN。剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算表明，該體系具有較強(qiáng)抵抗形變的能力，且與c-BN十分接近。電子結(jié)構(gòu)顯示該體系具有半導(dǎo)體的特性。該結(jié)構(gòu)在整個(gè)布里淵區(qū)內(nèi)沒有虛頻，證明其處于

4、力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。所以，該體系是一種潛在的超硬材料。
　　同樣用第一性原理系統(tǒng)地研究了id-C28體系和hl-C28體系。id-C28體系和hl-C28體系分別由Td-C28按照立方金剛石和六方金剛石結(jié)構(gòu)構(gòu)建而來(lái)。因?yàn)門d-C28具有四面體對(duì)稱的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。四個(gè)未成對(duì)電子存在于高活性的C28籠上，該體系具有四個(gè)V555(三個(gè)相鄰五邊形相交的頂點(diǎn))，這樣的高反應(yīng)活性，結(jié)合Td對(duì)稱性和隨時(shí)準(zhǔn)備著給出或接受四個(gè)電子的特性為Td-C28結(jié)構(gòu)單