基于研究cBN單晶轉變的晶面能計算及晶面形貌表征.pdf

1、立方氮化硼（cBN）是一種具有sp3雜化共價鍵的超硬材料，結構類似于金剛石，其化學惰性與熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石。cBN有著諸多優(yōu)點，比如較高的材料硬度、出色的化學惰性以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等，因而cBN在光學器件、電學元件、制造加工等諸多領域擁有誘人的應用潛力。然而，目前對于大顆粒cBN單晶仍難以獲得，除了合成設備的影響外，缺乏cBN單晶轉變機理的理論指導可能是制約獲得高品質大顆粒cBN單晶的主要原因。本文主要采用分子動力學的第一性原理的理論計

2、算方法，結合晶面形貌表征技術研究cBN單晶轉變機理。采用分子動力學第一性原理研究物質的轉變機理在材料科學中已得到廣泛應用，但在cBN單晶合成過程里未應用的原因主要是因為合成條件極端以及轉變過程不確定。通常，低指數晶面在相變過程中轉變傾向大，因此本文利用 VASP軟件包模擬cBN單晶合成環(huán)境，對hBN與cBN的低指數晶面的晶面能進行了計算，從晶面能的角度探究cBN單晶的轉變機理。而晶面能量與cBN單晶的晶面形貌特征存在直接關系，對cBN單

3、晶晶面形貌進行表征，能夠驗證理論計算的可靠性，同時利于研究cBN單晶轉變機理。
　　計算物相晶面能需要相應條件下的晶格常數。在溫度與壓強發(fā)生變化的情況下，晶體的晶格常數也會隨之變化，為保證晶面能計算精度，就不宜采用常溫常壓下的晶格常數。本文首先使用了PAW_GGA和USPP_LDA方法計算了hBN和cBN在1800K，5.5GPa和2000K，6.0GPa下的晶格常數。在1800K，5.5 GPa條件下， hBN晶格常數為a=0.

4、244760nm，c=0.643217nm，cBN單晶的晶格常數為a=0.358328nm；在2000K，6.0GPa條件下，hBN的晶格常數為a=0.244174nm，c=0.639819nm，cBN單晶的晶格常數為a=0.358292nm。
　　計算hBN與cBN低指數晶面的晶面能，采用MS軟件建模，需要對模型進行截斷能、k-mesh等收斂性測試，目的是平衡計算精度與成本。經計算，在1800K，5.5 GPa條件下，hBN（1

5、10）、（100）及（001）晶面的晶面能分別為0.200eV、0.427 eV、0.336 eV，cBN（110）、（100）及（111）晶面的晶面能分別為0.220 eV、0.430 eV、0.410 eV；在2000K，6.0GPa條件下，hBN（110）、（100）及（001）晶面的晶面能分別為0.221 eV、0.444 eV、0.354 eV，cBN（110）、（100）及（111）晶面的晶面能分別為0.2501 eV、0.

6、4361 eV、0.4751 eV。由此，hBN晶體的（100）晶面與cBN單晶的(100)晶面的能量連續(xù)，根據H-K理論和TFDC理論可知，hBN可向cBN方向發(fā)生直接的相轉變。因此，從晶面能角度分析，在hBN-Li3N體系中hBN在高溫高壓下很有可能直接轉變成cBN單晶。
　　本文采用hBN為原料，其純度達到99％，Li3N為觸媒（hBN與Li3N的質量分數比為9:1），本文選擇在1800K，5.5GPa下合成出cBN單晶，這

7、是因為本文在VASP軟件進行晶面能理論計算時設定了該合成條件，保持試驗與理論計算部分合成條件一致。采用SEM對cBN單晶的典型晶面進行表征分析，發(fā)現(xiàn)在本文實驗條件下合成出的cBN單晶的晶面致密，表面光滑，雜質及生長缺陷較少，其晶形多為典型的三角形（111）晶面和六邊形的（110晶面。結合第一性原理的計算結果，發(fā)現(xiàn)理論計算分析與測試表征所得結論相吻合，表明本文理論計算結果較為可靠。利用AFM對cBN單晶的（111）晶面進行了微觀形貌表征，