[发明专利]正交结构BC3N晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能材料及其制备方法，特别是涉及一种正交结构BC₃N晶体及其制备方法。

背景技术

自从Cohen等人预测轻元素硼碳氮三元化合物可能是金刚石和立方氮化硼之后的新一代超硬材料并有可能具有半金属或者半导体的性能以来，关于轻元素B-C-N化合物的理论计算和实验合成方面的研究，一直备受材料科学工作者的广泛关注。理论预测提出的B-C-N化合物的晶体结构大部分限于六方和立方结构，实验中合成产物的结构大部分为乱层石墨结构，很难合成出结晶性较好的B-C-N三元化合物或者晶体。近年来，人们借鉴金刚石和立方氮化硼的合成技术和方法，采用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、高温高压(HPHT)和冲击等方法试图合成出与理论预测相一致的B-C-N化合物。比较而言，沉积方法获得的样品多数是薄膜材料，高温高压方法获得的样品则是块状化合物，因此制备B-C-N晶体材料，高温高压技术是一种较为成熟的方法。发明人曾经以自制的前驱物在高温高压下制备出B_0.4-0.6C_0.1-03N_0.1-0.3晶体(中国专利ZL02104856.8)。2001年乌克兰科学研究院的Solozhenko等人，以类石墨结构的BC₂N和BC₄N作为前驱物，采用金刚石对顶砧和八面体高温高压合成技术，在18GPa和2100℃以上的高温高压条件下，成功合成出硬度达到76GPa的类金刚石结构立方BC₂N晶体，且其硬度超过立方氮化硼。这是本世纪初新型超硬材料合成领域中所获的具有重大意义的研究成果，它用实验证明了B-C-N单晶也可以象金刚石一样，在高温高压条件下被合成。另外，目前的大部分研究集中在含碳量较高的BC_XN(x＝2或4)型化合物上，尤其是对BC₂N化合物的理论和实验研究都比较广泛，但是，对于BC₃N晶体及其制备方法还未见有文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正交结构BC₃N晶体及其制备方法，这种BC₃N晶体具有导电性和超导性。其制备工艺简单可靠，节约能源。

正交结构BC₃N晶体的化学成分是：B18.8～22.1at％，C57.6～62.8at％，N18.3～20.1at％，B：C：N≈1∶3∶1；该晶体化合物具有正交结构，晶格参数为a＝0.661～0.664nm，b＝0.496～0.498nm，c＝0.851～0.868nm；外观为黑色颗粒，300K下其电阻率为2.0～3.0×10^-3Ω·m，约为石墨的200倍；正交结构的BC₃N晶体具有超导性，超导温度在8～20K。

本发明提供的正交结构BC₃N晶体的制备方法是：

(1)制备粉末状B-C-N前驱物，所述B-C-N前驱物含有B2～30at％，C30～60at％，N10～35at％；

(2)为了不引入杂质，将粉末状B-C-N前驱物压成圆片样品，装入小石墨坩埚中，并以六方氮化硼片填补上下端面空隙。然后依次放入叶腊石套和大石墨坩埚中。叶腊石套为传压介质并起绝缘导热的作用；内层的小石墨坩埚和氮化硼片可以避免实验过程中样品和叶腊石直接接触而引入其他元素；大石墨坩埚是反应加热装置。最后将上述组装好的大石墨坩埚放入叶蜡石正方体块中，叶腊石块内有圆柱形通孔，通孔的直径与大石墨坩埚的外径相配合。通孔的两端用金属封帽封好，金属封帽还起到导电加热作用；

(3)将组装块在1400～1600℃高温和5～6GPa高压之下处理，保温10～60分钟后冷却至室温；

(4)将获得的样品经化学处理后，除去石墨和六方氮化硼，即得到黑色BC₃N晶体颗粒。

本发明的有益效果是：该发明以含有B2～30at％，C30～60at％，N10～35at％的B-C-N粉末状前驱物为原料，在高温高压下，在世界上首次合成出正交结构BC₃N晶体。BC₃N晶体具有导电性和超导性能，其制备工艺简单可靠，节约能源。

附图说明

图1高温高压模具装填示意图。

在图1中，1.叶蜡石块，2.大石墨坩埚，3.叶蜡石套，4.金属封帽，

5.小石墨坩埚，6.样品，7.氮化硼片。

具体实施方式

实施例

将成分是B20at％，C55at％，N25at％的粉末状B-C-N前驱物压成直径为6mm、高为5mm的圆片样品6，装入小石墨坩埚5中，并以六方氮化硼片7填补上下端面空隙。然后依次放入叶腊石套3、大石墨坩埚2中。叶腊石套3为传压介质并起绝缘导热的作用；内层的小石墨坩埚5和氮化硼片7可以避免实验过程中样品和叶腊石直接接触而引入其他元素；大石墨坩埚2是反应加热装置。最后将上述组装好的大石墨坩埚2放入正方体叶蜡石块1中，叶腊石块1内有圆柱形通孔，通孔的直径与大石墨坩埚2的外径相配合。通孔的两端用金属封帽4封好，金属封帽4还起到导电加热作用。上述样品6装好后放入六面顶金刚石压机中，在6GPa、1500℃条件下，保温30分钟后冷却至室温。将得到的产物经过化学法处理除掉石墨和六方氮化硼后，即得到正交结构的BC₃N晶体。300K下其电阻率为2.0～3.0×10^-3Ω·m，约为石墨的200倍。正交BC₃N晶体具有超导性，超导温度在8～20K。