高压下新型B-C-N超硬材料的结构及物性研究

The search on new superhard materials is of great importance in view of its major roles played for the fundamental science and the industrial applications. Recently, the needs of superhard materials representing diamond and cubic boron nitride show continued growth. In this case, it is the key problems to discover potential superhard materials. On search for new superhard materials, scientists mainly focused on the exploration of covalent compounds formed by light elements, namely, boron (B), carbon (C), and nitrogen (N), since these elements have the ability to form short and strong three dimensional covalent bonds. In this prospect, the structures and properties of covalent compounds formed by B-C-N have been systemically studied using the first-principles calculations combined with the newly developed particle swarm optimization algorithm for crystal structure prediction. The structural transition sequences and high-pressure phases will be investigated under high-pressure to explore the relationship of the structural stability and external pressure. The systemic study of the lattice dynamical properties, electronic properties, and chemical bonding nature of compounds with different stoichiometry are performed. This intends to extensively reveal the relation of the element proportions and hardness from various angles. We expect that our calculations can provide theoretical support for experimental works on synthesizing potential superhard materials.

超硬材料在基础科研和工业生产中具有重要的应用价值，近年来，以金刚石和立方氮化硼为代表的超硬材料的需求持续增长，所以寻找新型超硬材料是亟待解决的关键问题。由于硼（B）、碳（C）、氮（N）等氢元素形成的化合物可以形成键长短、键密度大、原子排列致密、离子性小的共价型化合物，所以，科学家们寻找超硬材料的首选主要集中在由B-C-N元素之间形成的共价型化合物上。本项目拟采用第一性原理计算方法结合最新发展的基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术，系统研究轻元素B-C-N形成化合物的结构和性质，建立不同化学配比的B-C-N化合物的常温相图。研究此类超硬材料在高压极端条件下结构的演化过程及特殊高压相的截获，探讨结构的稳定性与压力之间的关系。系统分析不同配比体系的晶格动力学性质，电子性质和化学成键等，从力学和电子性质及化学成键角度来揭示化合物中各元素配比与硬度之间的关系，为实验上合成潜在超硬材料提供理论支撑。

超硬材料在基础科学及工业应用中都有着重要的作用，近年来，设计和合成新型的超硬材料引起了科学家们的广泛关注。本项目研究主要集中探索高压下由轻元素形成的超硬材料的物性、澄清B-C化合物的硬度争议及内在物理机制、理论设计过渡金属轻元素化合物的超硬结构及物性研究。主要取得如下研究成果：(1)发现实验上最新合成的Pnnm-CN超硬材料具有明显的弹性各向异性，研究了其在高温高下的热力学性质。(2)澄清了类金刚石结构的BC2硬度的争议，澄清了四方BC4并非潜在的超硬材料，解释了其(001)[100]方向理想强度5 GPa的潜在原因，揭示了四方BC4在剪切作用下，发生结构相变的内在物理机制；讨论了P42/mnm相B4C4高压下的力学性质、热力学性质随压力的变化，并且讨论了该结构的各向异性。(3)研究了锝的氮化物和碳化物的基态结构及其常压和高压下的性质。(4) 预测了ZrB3, HfB3, HfB4的超硬相并对相关的结构及性质进行了系统地研究。通过三年时间的研究，课题组得到了一系列重要研究成果，在国内外SCI学术期刊上发表论文9篇，我们不仅较好的完成了原定的科研计划，还做了一定的扩展工作。我们期望这些研究成果能够对今后超硬材料高压实验研究工作起到一定的推动作用。