超强机械性能的三原子碳及五碳衍生物

成果简介

近日，中国农业大学理学院罗炳程教授团队在新型信息功能材料设计方面取得新进展，在《细胞》（Cell）子刊《交叉科学》（iScience）上发表题为《具有超强机械性能的三原子碳及其衍生的五碳化物》（A triatomic carbon and derived pentacarbides with superstrong mechanical properties）的研究论文。该工作预测的具有超强机械性能的三原子碳和五碳衍生物在高性能技术陶瓷应用领域具有重大潜力，例如磨削刀具、汽车制造、钻探开采和光电功能器件等。

图1：三原子碳及五碳化物衍生物

金刚石是自然界中硬度最高的材料，实验测得的金刚石的维氏硬度大约90~150GPa。然而，极少有研究报道比金刚石还硬的材料。该成果报道了维氏硬度超过金刚石的三原子碳材料，理论计算预测的三原子碳的维氏硬度为113.3GPa,超过了相同计算水平下金刚石的硬度（95.7GPa），展现出裂解金刚石的潜力。

图2：稳定性和结构转变

该成果发现三原子碳具有显著的化学、热力学、动力学和机械稳定性。如图2所示，在高温下，三维结构的三原子碳可以转化为更稳定的二维结构的单原子碳纳米片层。高温下的结构转变为实验合成提供了启发，并可以应用在其他材料的高温结构相变调控中，在实际应用中具有重要意义。

该成果基于高通量第一性原理计算，发现了五碳化物（XC₅）家族（如图1）。结果表明：五碳化物TiC₅、VC₅、CrC₅、MnC₅、CoC₅、NiC₅, CuC₅、ZnC₅、Zr C₅、HfC₅、NbC₅、TaC₅、MoC₅、TcC₅、ReC₅、RuC₅、RhC₅、PdC₅、AgC₅、CdC₅、AuC₅、HgC₅等表现出机械不稳定性；五碳化物 C₅O、PtC₅、AlC₅和SiC₅具有机械稳定性和晶格亚稳定性；五碳化物 C₅N、BC₅、FeC₅、WC₅、OsC₅和IrC₅表现出优异的机械稳定性和晶格动力学稳定性。

图3：材料物理性能

在材料物理性能方面，三原子碳的杨氏模量为1229.0 GPa，比金刚石杨氏模量（1113.4GPa）高10%。采用铝、铁、铱、锇、硼、氮、硅、钨和氧元素替代1/6碳元素得到的五碳化物具有较强的机械性能，杨氏模量在400~800GPa。例如，SiC₅, IrC₅和WC₅的杨氏模量分别为733GPa、750GPa和740GPa, 远高于常见的技术陶瓷材料如氮化铝、二氧化硅、碳化镐、碳化钛、二氧化钌和二硼化铼。五碳化物SiC₅、BC₅、IrC₅和WC₅是维氏硬度超过40GPa的超硬材料，其中BC₅在以前的实验研究中被成功合成。在电子结构和能带结构方面，三原子碳为良好的宽禁带半导体（3.06eV），五碳化硅的禁带宽度位1.65eV，五碳化铱和五碳化铁均为导体。该工作对探究三原子碳和五碳衍生物在照明、通信、集成电路、高功率转换、光伏发电等半导体领域应用具有重要意义。

该成果感谢中国农业大学杰出人才启动经费、中央高校基本科研业务费专项资金资助(15052001)、以及中国农业大学校级高性能计算平台支持。

文章链接

A triatomic carbon and derived pentacarbides with superstrong mechanical properties

https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104712   

转载自电介质dielectrics

https://mp.weixin.qq.com/s/5Ye3nZ8B-HSmG3RGojHbJg