基于研究cBN单晶转变的晶面能计算及晶面形貌表征

发布时间：2018-02-28 13:11

  本文关键词： cBN单晶 第一性原理 高温高压 晶面能 晶格常数 晶面形貌 测试表征　出处：《山东建筑大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：立方氮化硼(cBN)是一种具有sp~3杂化共价键的超硬材料,结构类似于金刚石,其化学惰性与热稳定性优于金刚石。cBN有着诸多优点,比如较高的材料硬度、出色的化学惰性以及优异的热稳定性等,因而cBN在光学器件、电学元件、制造加工等诸多领域拥有诱人的应用潜力。然而,目前对于大颗粒cBN单晶仍难以获得,除了合成设备的影响外,缺乏cBN单晶转变机理的理论指导可能是制约获得高品质大颗粒cBN单晶的主要原因。本文主要采用分子动力学的第一性原理的理论计算方法,结合晶面形貌表征技术研究cBN单晶转变机理。采用分子动力学第一性原理研究物质的转变机理在材料科学中已得到广泛应用,但在cBN单晶合成过程里未应用的原因主要是因为合成条件极端以及转变过程不确定。通常,低指数晶面在相变过程中转变倾向大,因此本文利用VASP软件包模拟cBN单晶合成环境,对hBN与cBN的低指数晶面的晶面能进行了计算,从晶面能的角度探究cBN单晶的转变机理。而晶面能量与cBN单晶的晶面形貌特征存在直接关系,对cBN单晶晶面形貌进行表征,能够验证理论计算的可靠性,同时利于研究cBN单晶转变机理。计算物相晶面能需要相应条件下的晶格常数。在温度与压强发生变化的情况下,晶体的晶格常数也会随之变化,为保证晶面能计算精度,就不宜采用常温常压下的晶格常数。本文首先使用了PAW_GGA和USPP_LDA方法计算了hBN和cBN在1800K,5.5GPa和2000K,6.0GPa下的晶格常数。在1800K,5.5 GPa条件下,hBN晶格常数为a=0.244760nm,c=0.643217nm,cBN单晶的晶格常数为a=0.358328nm;在2000K,6.0GPa条件下,hBN的晶格常数为a=0.244174nm,c=0.639819nm,c BN单晶的晶格常数为a=0.358292nm。计算hBN与cBN低指数晶面的晶面能,采用MS软件建模,需要对模型进行截断能、k-mesh等收敛性测试,目的是平衡计算精度与成本。经计算,在1800K,5.5 GPa条件下,hBN(110)、(100)及(001)晶面的晶面能分别为0.200eV、0.427 eV、0.336eV,cBN(110)、(100)及(111)晶面的晶面能分别为0.220 eV、0.430 eV、0.410 eV;在2000K,6.0GPa条件下,hBN(110)、(100)及(001)晶面的晶面能分别为0.221 eV、0.444 eV、0.354 eV,c BN(110)、(100)及(111)晶面的晶面能分别为0.2501 eV、0.4361eV、0.4751 eV。由此,hBN晶体的(100)晶面与cBN单晶的(100)晶面的能量连续,根据H-K理论和TFDC理论可知,hBN可向cBN方向发生直接的相转变。因此,从晶面能角度分析,在hBN-Li3N体系中hBN在高温高压下很有可能直接转变成cBN单晶。本文采用hBN为原料,其纯度达到99%,Li3N为触媒(hBN与Li3N的质量分数比为9:1),本文选择在1800K,5.5GPa下合成出cBN单晶,这是因为本文在VASP软件进行晶面能理论计算时设定了该合成条件,保持试验与理论计算部分合成条件一致。采用SEM对cBN单晶的典型晶面进行表征分析,发现在本文实验条件下合成出的cBN单晶的晶面致密,表面光滑,杂质及生长缺陷较少,其晶形多为典型的三角形(111)晶面和六边形的(110晶面。结合第一性原理的计算结果,发现理论计算分析与测试表征所得结论相吻合,表明本文理论计算结果较为可靠。利用AFM对cBN单晶的(111)晶面进行了微观形貌表征,发现cBN单晶的(111)晶面形成台阶,大量的cBN生长基元在此聚集(这与其能量较高有直接关系),由此表明,cBN单晶生长机制为沿(111)晶面垂直方向呈台阶式生长。根据上述理论计算与测试表征结合分析,高温高压下hBN直接转变成cBN相,本文的结果与结论支持了固相直接转变这一学说。
[Abstract]:In this paper , we use VASP software package to simulate the transformation mechanism of the high - quality large - grained cbn single crystal . The lattice constant of the crystal is a = 0.244760nm , c = 0.639819nm , the lattice constant of the crystal is a = 0.35828nm . The crystal planes of ( 100 ) and ( 111 ) crystal planes are 0.221 eV , 0.4361eV , 0.4751 eV , respectively . The crystal planes of ( 100 ) and ( 111 ) crystal planes are 0.22eV , 0.4361eV , 0.4751 eV , respectively . Based on the above - mentioned theoretical calculation and test - characterization , hBN is directly transformed into cbn phase under high temperature and high pressure . The results and conclusions of this paper support the theory of solid phase direct transformation .

【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ163;O79

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本文编号：1547435