片状h-CN化合物的高温高压化学合成与表征

 以高温烧结三聚氰胺制得的CNH化合物为C、N源，与分析纯单质硼粉以一定比例混合，在5.0～5.5 GPa、1 400~1 500 ℃高温高压条件下，经化学反应合成了六角硼碳氮（h-BCN）晶体。用傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对产物进行了表征，结果表明，得到了含碳量较高的六方结构B_0.18C_0.66N_0.16化合物，成分接近于BC₄N，硼、碳、氮是以原子化合的形式存在；XRD分析确定该合成产物具有六角网状结构；SEM测量结果表明，B-C-N晶体具有片状六角形貌，尺寸在1 μm左右。     

片状h-BCN化合物的高温高压化学合成与表征

以高温烧结三聚氰胺制得的CNH化合物为C、N源,与分析纯单质硼粉以一定比例混合,在5.0~5.5 GPa、1 400~1 500℃高温高压条件下,经化学反应合成了六角硼碳氮(h-BCN)晶体。用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对产物进行了表征,结果表明,得到了含碳量较高的六方结构B0.18C0.66N0.16化合物,成分接近于BC4N,硼、碳、氮是以原子化合的形式存在;XRD分析确定该合成产物具有六角网状结构;SEM测量结果表明,B-C-N晶体具有片状六角形貌,尺寸在1μm左右。     

Synthesis of Cubic Boron Nitride by the Reaction of Li3N and B2O3

Cubic boron nitride is synthesized by the reaction of Li3N and B203 under high pressure and high temperature （4.0-5.0 GPa, 1350-1500℃）. The minimum pressure of cBN formation is 4.0 GPa. The present condition of cBN formation is clearly lower than the eutectic temperature of Li3BN2 and BN in the Li3N-hBN system （5.5 GPa, 1610℃）. The content of cBN in the sample increases, while the content of hBN decreases with the temperature and pressure. The maximum conversion rate （5.0 GPa, 1500℃） is about 34%, which is higher than that in the hBN-Li3N system. The cBN crystals are octahedral or tetrahedral in shape and approximately 20 μm in diameter.     

富硼体系中立方氮化硼晶体的生长

本文在hBN-Li3N体系中添加不同含量的单质硼(B),研究了cBN晶体在富B条件下的生长特性.结果表明,B进入晶体的位置具有明显的区域选择性.B以占据N(111)面内N空位的方式进入晶体,并与原有的N原子一起形成一个B原子和N原子的(111)面.随着B进入量的增加,越来越多的B原子取代N空位,B和N原子的混合面与邻近的B(111)面叠加,在晶体的中心部位形成颜色较深的三角形阴影并逐步扩展,最后,使晶体完全变成黑色.由于B占据N空位造成原来N的(111)面上有大量硼原子存在,使得晶体沿＜111＞方向生长困难而有利于沿＜100＞方向生长, 从而形成了八面体或类球形晶体.同时,由于加入的B与部分Li3N发生化学反应也可生成cBN,因此,体系中cBN晶体的形成受两种机制控制:一种为溶解析出过程,另一种为化学反应过程.cBN的产率随着B添加量的增加而降低的实验结果表明,溶解析出过程占主导地位.     

hBN-LiH/hBN-Li_3N-B体系合成cBN的赋色过程研究

在高温高压条件下,用hBN-LiH和hBN-Li3N-B为初始材料均可以合成出黑色cBN晶体。拉曼光谱测试结果表明,cBN晶体颜色变黑的原因是晶体中多余B原子的存在造成的。在hBN-Li3N-B体系中,晶体内部有明显的三角形阴影形成,表明从晶体表面的中心到顶角间B原子的含量较多,从表面中心到棱边B原子的含量逐渐减少。而在hBN-LiH体系中所得到的晶体颜色从黑色透明直接变成黑色不透明状态,晶体内部没有出现三角形阴影,表明晶体中作为杂质的B原子分布比较均匀。此两种情况说明,B作为杂质原子进入cBN晶体中可以有两种分布情况,一是居中对称分布,二是均匀分布,从晶体的生长环境和自身的排杂能力方面分析了晶体为什么会出现上述现象。     

锂基触媒体系中不同形状立方氮化硼晶体的高压合成

采用高温高压方法,以六角氮化硼(hBN)为原料、选用氮化锂(Li3N)、氢化锂+氮化锂(LiH+Li3N)、氢化锂(LiH)、氢化锂+氨基锂(LiH+LiNH2)、氮化锂+氨基锂(Li3N+LiNH2)为触媒,在合适的温度、压力及生长工艺条件下,分别得到了厚板状、类球形、八面体或六八面体、扁锥状和片状六边形形貌立方氮化硼(cBN)晶体。总结了不同锂基触媒/添加剂对合成的cBN晶体形貌变化的影响。     

用射频磁控溅射法在c-BN晶体基底上生长c-BN薄膜

本文用射频磁控溅射方法在片状c-BN晶体基底上生长了c-BN薄膜,显微拉曼光谱(μ-RS)和扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明:沉积的薄膜是大约10μm厚、高结晶性、电子透明的高纯c-BN薄膜.岛状和层状生长模式在试验中清晰的展示出来.同时在生长的c-BN薄膜内部和被遮盖的基底部分上发现了籽晶.     

高温高压合成立方氮化硼的热力学分析

 从热力学角度计算出了以六角氮化硼为原料、用高压触媒法合成立方氮化硼时所形成稳定的临界晶粒半径r_k的大小,当p=6.0 GPa、T=1 600 ℃时,r_k≈15 nm。分析了r_k的大小与合成温度、压力的关系,以及在给定压力下立方氮化硼晶粒转化率与温度的关系。结果表明：在立方氮化硼稳定区,在相同压力下,r_k随温度的升高而增大;在相同温度下,r_k随压力的升高而减小,r_k越小立方氮化硼晶粒的转化率越高。计算结果与实际合成实验所得结果完全一致。     

六方氮化硼的结晶度对合成立方氮化硼的影响

 将3种不同初始结晶度的六方氮化硼（h-BN）分别与Li₃N按一定比例混合,在低于立方氮化硼（c-BN）的合成温度和压力条件下,采用高温、高压预处理方式,使3种h-BN的结晶度发生改变。对不同预处理条件下得到的h-BN进行X射线衍射分析,确定了结晶度的变化程度。用不同结晶度的h-BN作为初始原料合成c-BN,观察并分析了h-BN向c-BN转化时微观结构的变化以及h-BN的结晶度对合成c-BN的影响。实验结果表明,结晶度低的h-BN更容易合成c-BN。