基于研究cBN單晶轉(zhuǎn)變的晶面能計(jì)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(jià)鍵的超硬材料，結(jié)構(gòu)類似于金剛石，其化學(xué)惰性與熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石。cBN有著諸多優(yōu)點(diǎn)，比如較高的材料硬度、出色的化學(xué)惰性以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等，因而cBN在光學(xué)器件、電學(xué)元件、制造加工等諸多領(lǐng)域擁有誘人的應(yīng)用潛力。然而，目前對(duì)于大顆粒cBN單晶仍難以獲得，除了合成設(shè)備的影響外，缺乏cBN單晶轉(zhuǎn)變機(jī)理的理論指導(dǎo)可能是制約獲得高品質(zhì)大顆粒cBN單晶的主要原因。本文主要采用分子動(dòng)力學(xué)的第一性原理的理論計(jì)

2、算方法，結(jié)合晶面形貌表征技術(shù)研究cBN單晶轉(zhuǎn)變機(jī)理。采用分子動(dòng)力學(xué)第一性原理研究物質(zhì)的轉(zhuǎn)變機(jī)理在材料科學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用，但在cBN單晶合成過(guò)程里未應(yīng)用的原因主要是因?yàn)楹铣蓷l件極端以及轉(zhuǎn)變過(guò)程不確定。通常，低指數(shù)晶面在相變過(guò)程中轉(zhuǎn)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(duì)hBN與cBN的低指數(shù)晶面的晶面能進(jìn)行了計(jì)算，從晶面能的角度探究cBN單晶的轉(zhuǎn)變機(jī)理。而晶面能量與cBN單晶的晶面形貌特征存在直接關(guān)系，對(duì)cBN單

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

4、244760nm，c=0.643217nm，cBN單晶的晶格常數(shù)為a=0.358328nm；在2000K，6.0GPa條件下，hBN的晶格常數(shù)為a=0.244174nm，c=0.639819nm，cBN單晶的晶格常數(shù)為a=0.358292nm。
　　計(jì)算hBN與cBN低指數(shù)晶面的晶面能，采用MS軟件建模，需要對(duì)模型進(jìn)行截?cái)嗄?、k-mesh等收斂性測(cè)試，目的是平衡計(jì)算精度與成本。經(jīng)計(jì)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(jù)H-K理論和TFDC理論可知，hBN可向cBN方向發(fā)生直接的相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成cBN單晶。
　　本文采用hBN為原料，其純度達(dá)到99％，Li3N為觸媒（hBN與Li3N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為9:1），本文選擇在1800K，5.5GPa下合成出cBN單晶，這

7、是因?yàn)楸疚脑赩ASP軟件進(jìn)行晶面能理論計(jì)算時(shí)設(shè)定了該合成條件，保持試驗(yàn)與理論計(jì)算部分合成條件一致。采用SEM對(duì)cBN單晶的典型晶面進(jìn)行表征分析，發(fā)現(xiàn)在本文實(shí)驗(yàn)條件下合成出的cBN單晶的晶面致密，表面光滑，雜質(zhì)及生長(zhǎng)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(jié)合第一性原理的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算分析與測(cè)試表征所得結(jié)論相吻合，表明本文理論計(jì)算結(jié)果較為可靠。利用AFM對(duì)cBN單晶的（111）晶面進(jìn)行了微觀形貌表征，