本文關(guān)鍵詞： cBN單晶 第一性原理 高溫高壓 晶面能 晶格常數(shù) 晶面形貌 測試表征　出處：《山東建筑大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：立方氮化硼(cBN)是一種具有sp~3雜化共價鍵的超硬材料,結(jié)構(gòu)類似于金剛石,其化學惰性與熱穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石。cBN有著諸多優(yōu)點,比如較高的材料硬度、出色的化學惰性以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等,因而cBN在光學器件、電學元件、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)變機理的理論指導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力學的第一性原理的理論計算方法,結(jié)合晶面形貌表征技術(shù)研究cBN單晶轉(zhuǎn)變機理。采用分子動力學第一性原理研究物質(zhì)的轉(zhuǎn)變機理在材料科學中已得到廣泛應(yīng)用,但在cBN單晶合成過程里未應(yīng)用的原因主要是因為合成條件極端以及轉(zhuǎn)變過程不確定。通常,低指數(shù)晶面在相變過程中轉(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hBN與cBN的低指數(shù)晶面的晶面能進行了計算,從晶面能的角度探究cBN單晶的轉(zhuǎn)變機理。而晶面能量與cBN單晶的晶面形貌特征存在直接關(guān)系,對cBN單晶晶面形貌進行表征,能夠驗證理論計算的可靠性,同時利于研究cBN單晶轉(zhuǎn)變機理。計算物相晶面能需要相應(yīng)條件下的晶格常數(shù)。在溫度與壓強發(fā)生變化的情況下,晶體的晶格常數(shù)也會隨之變化,為保證晶面能計算精度,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=0.244760nm,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,c BN單晶的晶格常數(shù)為a=0.358292nm。計算hBN與cBN低指數(shù)晶面的晶面能,采用MS軟件建模,需要對模型進行截斷能、k-mesh等收斂性測試,目的是平衡計算精度與成本。經(jīng)計算,在1800K,5.5 GPa條件下,hBN(110)、(100)及(001)晶面的晶面能分別為0.200eV、0.427 eV、0.336eV,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,c BN(110)、(100)及(111)晶面的晶面能分別為0.2501 eV、0.4361eV、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,其純度達到99%,Li3N為觸媒(hBN與Li3N的質(zhì)量分數(shù)比為9:1),本文選擇在1800K,5.5GPa下合成出cBN單晶,這是因為本文在VASP軟件進行晶面能理論計算時設(shè)定了該合成條件,保持試驗與理論計算部分合成條件一致。采用SEM對cBN單晶的典型晶面進行表征分析,發(fā)現(xiàn)在本文實驗條件下合成出的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)合第一性原理的計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)理論計算分析與測試表征所得結(jié)論相吻合,表明本文理論計算結(jié)果較為可靠。利用AFM對cBN單晶的(111)晶面進行了微觀形貌表征,發(fā)現(xiàn)cBN單晶的(111)晶面形成臺階,大量的cBN生長基元在此聚集(這與其能量較高有直接關(guān)系),由此表明,cBN單晶生長機制為沿(111)晶面垂直方向呈臺階式生長。根據(jù)上述理論計算與測試表征結(jié)合分析,高溫高壓下hBN直接轉(zhuǎn)變成cBN相,本文的結(jié)果與結(jié)論支持了固相直接轉(zhuǎn)變這一學說。
[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 .

【學位授予單位】：山東建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ163;O79

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本文編號：1547435