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被認為是超硬的。超硬材料具有獨特的結構并且顯示出優(yōu)異的特性：不可壓縮性、耐磨性。使這類材料對于各種工業(yè)應用都是必不可少的，例如車削、切削、鉆孔和研磨。近年來，全球對超硬材料的需求都在持續(xù)不斷地上升當中。
　　碳是一種重要的元素。因為它可以形成多種雜化類型，并且可以結合其他元素產生出各種化合物。元素碳有三個最著名的同素異形體：石墨、金剛石和無定形碳。自從二十世紀八十年代以來，研究者對碳的新的同素異

2、形體產生了巨大的興趣。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化學、物理、材料和信息科學的相關領域的科學和技術均產生了巨大的影響，導致產生了許多衍生物、設備和產品?，F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)現了新的穩(wěn)定的超硬材料，而且該材料的一些性質要優(yōu)于金剛石和c-BN。一些超硬的B-C-N化合物已經由高溫和高壓的方法合成出來了。
　　本文應用第一性原理系統(tǒng)地研究了m-BCN的各項

3、性質。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，以提高其熱力學穩(wěn)定性。計算結果表明：該體系的力學參數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）。靜水壓計算該體系具有各向異性，且難壓縮程度接近于c-BN。剪切應力-應變曲線計算表明，該體系具有較強抵抗形變的能力，且與c-BN十分接近。電子結構顯示該體系具有半導體的特性。該結構在整個布里淵區(qū)內沒有虛頻，證明其處于

4、力學穩(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構構建而來。因為Td-C28具有四面體對稱的獨特的結構。四個未成對電子存在于高活性的C28籠上，該體系具有四個V555(三個相鄰五邊形相交的頂點)，這樣的高反應活性，結合Td對稱性和隨時準備著給出或接受四個電子的特性為Td-C28結構單