近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部陳春林研究員、馬秀良研究員、葉恒強院士與東京大學(xué)Yuichi Ikuhara教授、NIMS谷口尚教授等人合作，利用像差校正電子顯微術(shù)在原子尺度上研究了纖鋅礦型氮化硼中的缺陷結(jié)構(gòu)及其對材料相變的影響，發(fā)現(xiàn)材料中的三維缺陷網(wǎng)絡(luò)可顯著提高該亞穩(wěn)超硬材料的穩(wěn)定性，突破了人們對材料缺陷與相變關(guān)系的傳統(tǒng)認(rèn)識。相關(guān)成果于5月17日在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表。

　　纖鋅礦型氮化硼是硬度接近于金剛石的超硬材料，有望在許多應(yīng)用領(lǐng)域中替代金剛石。此外，纖鋅礦型氮化硼還是一種很有前景的寬帶半導(dǎo)體，具有比氮化鎵更寬的能隙、更高的導(dǎo)熱性等優(yōu)點，有望在高性能電子器件中得到應(yīng)用。然而，纖鋅礦型氮化硼是一種高壓亞穩(wěn)相，在常壓下極易轉(zhuǎn)變?yōu)榱堑穑ň哂蓄愃朴?a href='/news/search/key/%25E7%259F%25B3%25E5%25A2%25A8.html' target='_blank'>石墨的結(jié)構(gòu)），通常僅能通過沖擊波壓縮法制備微米尺寸的纖鋅礦型氮化硼。如何制備較大尺寸的纖鋅礦型氮化硼并使其在常溫常壓下保持穩(wěn)定是個具有挑戰(zhàn)性的問題，相關(guān)機(jī)理尚不清楚。

　　研究團(tuán)隊通過高溫高壓處理六角氮化硼單晶的方法制備了毫米尺寸的纖鋅礦型氮化硼晶體，并利用掃描透射電子顯微術(shù)與第一性原理計算相結(jié)合的方法系統(tǒng)地研究了纖鋅礦型氮化硼中的缺陷結(jié)構(gòu)及其對材料相變的影響。電子顯微學(xué)研究發(fā)現(xiàn)纖鋅礦型氮化硼中基面上的層錯與棱柱面上的倒反疇界相交在一起從而形成一個三維缺陷網(wǎng)絡(luò)。該缺陷網(wǎng)絡(luò)將氮化硼晶體分割為平均尺寸約十幾納米的棱柱體，相鄰的棱柱體具有相反的晶體極性。層錯與倒反疇界相交形成了數(shù)量眾多的“層錯-倒反疇界結(jié)”，交叉點的核心結(jié)構(gòu)包含一個混合型不全位錯。第一性原理計算表明三維缺陷網(wǎng)絡(luò)可顯著抑制鋅礦型氮化硼向六角氮化硼的相變，極大地提高了材料的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)相變理論認(rèn)為材料中的結(jié)構(gòu)缺陷具有較高的能量、易于偏析雜質(zhì)原子，通常是材料相變的易形核位置，會促進(jìn)相變的發(fā)生。本研究發(fā)現(xiàn)的三維缺陷網(wǎng)絡(luò)對材料相變的顯著抑制作用，突破了人們對材料缺陷與相變關(guān)系的傳統(tǒng)認(rèn)識。

　　該項研究得到了中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目、國家自然科學(xué)基金與國家青年千人計劃等項目的資助。

　　該工作的全文鏈接（PDF文件）https://www.pnas.org/content/early/2019/05/16/1902820116

　　圖1、利用六角氮化硼（h-BN）高溫高壓條件下相變的方法制備的纖鋅礦型氮化硼（w-BN）晶體。 (A)高質(zhì)量六角氮化硼單晶，(B) 合成的纖鋅礦型氮化硼晶體為黑色，(C) 晶體相變前后的X射線衍射圖; (D) 纖鋅礦型氮化硼的拉曼光譜。

　　圖2、纖鋅礦型氮化硼的顯微結(jié)構(gòu)。(A，B)沿[-2110]晶帶軸的TEM明場像(a)和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射(b)。材料中形成了（0001）界面上的層錯（ISF）和（01-10）棱柱面上的倒反疇界（IDB）組成的兩類平面缺陷。紅色虛線表示晶界。(C，D)沿[0-110]晶帶軸的TEM明場像(C)和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射(D)。從中可在在(-2110)面上沒有平面缺陷。

　　圖3、纖鋅礦型氮化硼的層錯（ISF）和倒反疇界（IDB）的原子結(jié)構(gòu)。(A，B) 層錯的HAADF像(A)和相應(yīng)的ABF像(B)。層錯改變了w-BN原子層的堆垛順序。 (C，D) 倒反疇界的HAADF像(C)和相應(yīng)的ABF像(D)，倒反疇界改變了材料的晶體極性。(E，F(xiàn)) 層錯（ISF）和倒反疇界（IDB）交叉區(qū)域的HAADF像(E)和相應(yīng)的ABF像(F)。兩組垂直的平面缺陷交叉在一起形成了“層錯-倒反疇界結(jié)”，并形成了柏氏矢量為1/3[10-10]的混合型不全位錯。

　　圖4、層錯（ISF）和倒反疇界（IDB）交織在一起構(gòu)成三維缺陷網(wǎng)絡(luò)的示意圖。三維缺陷網(wǎng)絡(luò)將w-BN分割為平均尺寸約十幾納米的棱柱體，相鄰的棱柱體具有相反的晶體極性。

　　圖5、第一性原理分子動力學(xué)模擬分析層錯（ISF）對w-BN熱穩(wěn)定性的影響。(A–D)完美w-BN的結(jié)構(gòu)演變過程。隨著溫度的升高，w-BN逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭恏-BN結(jié)構(gòu)，溫度升到97K時相變完成。(E–H)包含一個層錯（ISF）的w-BN的結(jié)構(gòu)演變過程。層錯可以顯著地抑制w-BN的相變，該結(jié)構(gòu)的完全相變溫度為360 K。