近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部陳春林研究員、馬秀良研究員、葉恒強院士與東京大學Yuichi Ikuhara教授、NIMS谷口尚教授等人合作，利用像差校正電子顯微術在原子尺度上研究了纖鋅礦型氮化硼中的缺陷結構及其對材料相變的影響，發現材料中的三維缺陷網絡可顯著提高該亞穩超硬材料的穩(wen)定(ding)性，突(tu)破了人們(men)對材料缺(que)陷與相變關系的傳統認識(shi)。相關成果于(yu)5月17日在《美(mei)國國家科(ke)學院(yuan)院(yuan)刊》（PNAS）上在線發表。

　　纖鋅礦型氮化硼是硬度接近于金剛石的(de)(de)超硬材料(liao)，有(you)(you)望在(zai)(zai)許多(duo)應(ying)用(yong)領域(yu)中替(ti)代(dai)金剛石。此(ci)外，纖(xian)鋅(xin)礦型(xing)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)還是(shi)一種很有(you)(you)前景的(de)(de)寬帶半導體，具有(you)(you)比(bi)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)鎵(jia)更寬的(de)(de)能(neng)隙、更高(gao)(gao)的(de)(de)導熱(re)性(xing)等優點，有(you)(you)望在(zai)(zai)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)電子器件中得到應(ying)用(yong)。然而，纖(xian)鋅(xin)礦型(xing)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)是(shi)一種高(gao)(gao)壓(ya)亞穩(wen)相，在(zai)(zai)常(chang)(chang)壓(ya)下極(ji)易轉(zhuan)變為六角氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)（具有(you)(you)類似(si)于石墨(mo)的(de)(de)結構(gou)），通常(chang)(chang)僅(jin)能(neng)通過沖擊(ji)波壓(ya)縮法制備(bei)微米尺寸(cun)(cun)的(de)(de)纖(xian)鋅(xin)礦型(xing)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)。如何制備(bei)較大尺寸(cun)(cun)的(de)(de)纖(xian)鋅(xin)礦型(xing)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)并使其在(zai)(zai)常(chang)(chang)溫常(chang)(chang)壓(ya)下保(bao)持(chi)穩(wen)定是(shi)個具有(you)(you)挑戰性(xing)的(de)(de)問題，相關(guan)機理尚不清楚。

　　研(yan)究(jiu)團隊通(tong)過高(gao)溫高(gao)壓處理(li)六(liu)角氮化(hua)(hua)硼(peng)單晶(jing)的(de)(de)(de)(de)方法制(zhi)(zhi)備了(le)(le)毫米尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)纖(xian)鋅(xin)礦(kuang)(kuang)型(xing)(xing)(xing)氮化(hua)(hua)硼(peng)晶(jing)體(ti)，并利(li)用掃描透射(she)電子顯(xian)(xian)微(wei)術與第(di)一(yi)性原(yuan)(yuan)理(li)計(ji)算(suan)相(xiang)結(jie)(jie)合(he)的(de)(de)(de)(de)方法系統地研(yan)究(jiu)了(le)(le)纖(xian)鋅(xin)礦(kuang)(kuang)型(xing)(xing)(xing)氮化(hua)(hua)硼(peng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)結(jie)(jie)構及(ji)其對(dui)材料(liao)(liao)相(xiang)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。電子顯(xian)(xian)微(wei)學研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)纖(xian)鋅(xin)礦(kuang)(kuang)型(xing)(xing)(xing)氮化(hua)(hua)硼(peng)中(zhong)基(ji)面上(shang)的(de)(de)(de)(de)層(ceng)錯(cuo)與棱柱面上(shang)的(de)(de)(de)(de)倒反疇(chou)界(jie)相(xiang)交在一(yi)起從而形(xing)成一(yi)個(ge)三維缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)網(wang)絡(luo)。該缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)網(wang)絡(luo)將氮化(hua)(hua)硼(peng)晶(jing)體(ti)分割為(wei)平均尺(chi)寸約十(shi)幾納米的(de)(de)(de)(de)棱柱體(ti)，相(xiang)鄰(lin)的(de)(de)(de)(de)棱柱體(ti)具有(you)相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)極(ji)性。層(ceng)錯(cuo)與倒反疇(chou)界(jie)相(xiang)交形(xing)成了(le)(le)數(shu)量眾(zhong)多的(de)(de)(de)(de)“層(ceng)錯(cuo)-倒反疇(chou)界(jie)結(jie)(jie)”，交叉點的(de)(de)(de)(de)核心結(jie)(jie)構包含一(yi)個(ge)混合(he)型(xing)(xing)(xing)不全位錯(cuo)。第(di)一(yi)性原(yuan)(yuan)理(li)計(ji)算(suan)表明三維缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)網(wang)絡(luo)可顯(xian)(xian)著抑(yi)制(zhi)(zhi)鋅(xin)礦(kuang)(kuang)型(xing)(xing)(xing)氮化(hua)(hua)硼(peng)向六(liu)角氮化(hua)(hua)硼(peng)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)變(bian)(bian)，極(ji)大地提高(gao)了(le)(le)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性。傳統相(xiang)變(bian)(bian)理(li)論認為(wei)材料(liao)(liao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)構缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)具有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)能量、易于偏(pian)析雜質原(yuan)(yuan)子，通(tong)常是材料(liao)(liao)相(xiang)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)易形(xing)核位置，會促進相(xiang)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)發(fa)生(sheng)。本研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)的(de)(de)(de)(de)三維缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)網(wang)絡(luo)對(dui)材料(liao)(liao)相(xiang)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)顯(xian)(xian)著抑(yi)制(zhi)(zhi)作用，突破了(le)(le)人們對(dui)材料(liao)(liao)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)與相(xiang)變(bian)(bian)關系的(de)(de)(de)(de)傳統認識。

　　該項(xiang)研(yan)究得(de)到了中國科學院前沿科學重點研(yan)究項(xiang)目(mu)、國家自然(ran)科學基(ji)金(jin)與(yu)國家青年千人(ren)計(ji)劃等項(xiang)目(mu)的資助(zhu)。

圖1、利(li)用六(liu)角氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)(peng)（h-BN）高(gao)溫(wen)高(gao)壓條(tiao)件下相(xiang)變的方法制備的纖(xian)鋅礦型氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)(peng)（w-BN）晶體(ti)。 (A)高(gao)質(zhi)量六(liu)角氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)(peng)單晶，(B) 合成的纖(xian)鋅礦型氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)(peng)晶體(ti)為黑色，(C) 晶體(ti)相(xiang)變前后的X射(she)(she)線衍(yan)射(she)(she)圖; (D) 纖(xian)鋅礦型氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)(peng)的拉曼光譜。

圖2、纖(xian)鋅礦型(xing)氮(dan)化硼的(de)(de)(de)(de)顯微結構(gou)。(A，B)沿[-2110]晶帶軸(zhou)的(de)(de)(de)(de)TEM明(ming)場像(a)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)選區電子衍射(she)(b)。材料中形成了（0001）界(jie)(jie)(jie)面(mian)(mian)上的(de)(de)(de)(de)層錯（ISF）和(he)（01-10）棱柱(zhu)面(mian)(mian)上的(de)(de)(de)(de)倒反疇界(jie)(jie)(jie)（IDB）組成的(de)(de)(de)(de)兩類平面(mian)(mian)缺陷(xian)。紅(hong)色虛線表示晶界(jie)(jie)(jie)。(C，D)沿[0-110]晶帶軸(zhou)的(de)(de)(de)(de)TEM明(ming)場像(C)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)選區電子衍射(she)(D)。從中可在在(-2110)面(mian)(mian)上沒(mei)有(you)平面(mian)(mian)缺陷(xian)。

圖3、纖鋅礦(kuang)型氮化硼(peng)的(de)(de)(de)層錯(cuo)(cuo)（ISF）和(he)(he)倒(dao)(dao)(dao)反(fan)(fan)疇(chou)界（IDB）的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)構。(A，B) 層錯(cuo)(cuo)的(de)(de)(de)HAADF像(A)和(he)(he)相應(ying)的(de)(de)(de)ABF像(B)。層錯(cuo)(cuo)改變(bian)了w-BN原(yuan)子(zi)(zi)層的(de)(de)(de)堆垛順序。 (C，D) 倒(dao)(dao)(dao)反(fan)(fan)疇(chou)界的(de)(de)(de)HAADF像(C)和(he)(he)相應(ying)的(de)(de)(de)ABF像(D)，倒(dao)(dao)(dao)反(fan)(fan)疇(chou)界改變(bian)了材(cai)料的(de)(de)(de)晶(jing)體極(ji)性。(E，F) 層錯(cuo)(cuo)（ISF）和(he)(he)倒(dao)(dao)(dao)反(fan)(fan)疇(chou)界（IDB）交(jiao)叉區域的(de)(de)(de)HAADF像(E)和(he)(he)相應(ying)的(de)(de)(de)ABF像(F)。兩組垂直(zhi)的(de)(de)(de)平面缺陷(xian)交(jiao)叉在一起形成了“層錯(cuo)(cuo)-倒(dao)(dao)(dao)反(fan)(fan)疇(chou)界結(jie)”，并形成了柏(bo)氏矢量為1/3[10-10]的(de)(de)(de)混合型不全位(wei)錯(cuo)(cuo)。

圖(tu)4、層錯(cuo)（ISF）和(he)倒(dao)反疇(chou)界（IDB）交織在一(yi)起(qi)構成(cheng)三維(wei)缺(que)陷(xian)網(wang)絡(luo)的(de)示意圖(tu)。三維(wei)缺(que)陷(xian)網(wang)絡(luo)將w-BN分割(ge)為平均尺寸約十幾納(na)米的(de)棱柱體，相鄰的(de)棱柱體具有相反的(de)晶體極性。

圖5、第一性原(yuan)理分子動(dong)力學模擬分析層錯（ISF）對w-BN熱(re)穩定(ding)性的(de)影響。(A–D)完美(mei)w-BN的(de)結構演變過(guo)(guo)程(cheng)。隨著溫(wen)度(du)的(de)升高(gao)，w-BN逐(zhu)漸轉變為(wei)類(lei)h-BN結構，溫(wen)度(du)升到97K時相(xiang)變完成。(E–H)包(bao)含一個層錯（ISF）的(de)w-BN的(de)結構演變過(guo)(guo)程(cheng)。層錯可以顯著地抑制w-BN的(de)相(xiang)變，該結構的(de)完全相(xiang)變溫(wen)度(du)為(wei)360 K。