新型超硬材料的结构设计-马琰铭.pptVIP

2、WB4与ReB2、PtN2、OsB2成键不同 态密度 电荷密度 (2) W-B成离子键，无杂化共价成键 (1) B-B三维共价成键 总 结 理论设计和实验合成相结合 硼、碳、氮、氧轻元素及化合物寻找新型超硬材料的潜力最大 过渡族金属—轻元素化合物中寻找多轻元素非金属化合物。 Acknowledgements Prof. Artem R. Oganov, ETH Zurich, Switzerland Prof. Mao H-K PhD students: Wang Mei, Li Quan, Wang Hui, Wang Yanchao, Li Yinwei Prof. Cui Tian and Prof. G. T. Zou 谢 谢！ * * * 新型超硬材料的结构设计 马 琰 铭 吉林大学超硬材料国家重点实验室 个人主页：/YanmingMa/mym.htm 金刚石 —上帝赐给人类的珍贵礼物 优点：硬度最大，经硼掺杂后转变为超导体，金刚石已成为一个集热学、电学和光学特性于一身的多功能材料。 缺点：热稳定性较低，温度超过750℃时，金刚石将转化为硬度极低的石墨；化学惰性较差，金刚石易于和铁反应。 存在方式：天然和人造 1.具有优良的化学惰性以及优异的热稳定性，硬度相对较小（维氏硬度66 GPa). 2.存在方式：主要薄膜，单晶合成困难 立方氮化硼 新型超硬材料 硼、碳、氮、氧轻元素及化合物 特点：可形成sp、sp2、sp3杂化轨道，其同素异构体和化合物种类繁多，成键类型复杂。易形成高键密度或电子密度、短键长和小离子性化合物。 合成困难：高温高压 （形成 sp3键） 轻元素新型超硬材料的重要实验进展 B-C-N三元系 (i) 立方相BC2N (62-76GPa) (ii) 立方相BC4N (68-83GPa) (iii) 正交相B2CN Zhao, J. Mat. Res. 17, 3139 (2002); Solozhenko, Appl. Phys. Lett. 78, 1385 (2001); S. Nakano, Chem. Matter 6, 2246 (1994); Knittle, Phys. Rev. B 51, 12149 (1995). He, Chem. Phys. Lett. 340, 431 (2001). C-N、B-C和B-O二元系 β-C3N4 (Liu and Cohen, Science 245, 841 (1989)) B6O (45 GPa) (iii) 类金刚石B2O (40 GPa) 立方相BC5 (71GPa) Rizzo, J. Electrochem. Soc. 109, 1079 (1962); D. He, Appl. Phys. Lett. 81, 643 (2002); Endo, J. Mat. Sci. Lett. 6, 683 (1987); Solozhenko, Phys. Rev. Lett. 102, 015506 (2009). 过渡族金属—轻元素化合物 d电子参与成键，键强提高，键的方向性增强 过渡族金属具有高的价电子密度 轻元素B、C、N，O等则可以形成很强的共价键 实验合成进展 OsB2[1]、ReB2[2]、PtN2 [3]、OsN2 [4]、IrN2 [3]、WB4 [5] [1] Tolbert, J. Am. Chem. Soc. 127, 7264 (2005). [2] Chung, Science 316, 436 (2007); Dubrovinskaia, Science 318, 1550c (2007); Qin, Adv. Mat. 20, 4780 (2008). [3] Gregoryanz, Nat. Mat. 3, 294 (2004); Crowhurst, Science 311, 1275 (2006). [4] Young, Phys. Rev. Lett. 96, 155501 (2006). [5] Gu, Adv. Mat. 20, 3620 (2008). 硬度在20-30 GPa之间, WB4 40 GPa? 新型超硬材料理论设计的必要性？ 实验合成无法摆脱“炒菜式”的探索模式 理论结构设计---确定新型超硬材料的合成温度和压力相图，对实验进行有效的指导便有可能突破新型超硬实验合成的技术瓶颈。 早期行之有效的理论设计 通过替代已