![](images/doc.gif)
PACS: 71.15.Ap 1. Введение таких фаз. В частности, методом FLAPW была рассчитана электронная структура фуллеритов C8@(C20)8 [12]1, Нитрид бора как изоморфный аналог углерода, кро- ПКФ-C24 [13].
ме обычных модификаций Ч графитоподобной гекса- Недавно в масс-спектрах нитрида бора, расплавленгональной (h-BN), турбостратной (t-BN), ромбоэдриче- ного в дуговом разряде, были обнаружены молекулы ской (r-BN), а также вюртцитной (w-BN) и сфалерит- фулборена B24N24 [14], предсказанные в работах [9,10] ной (c-BN) [1,2], Ч имеет ряд других полиморфных (рис. 1). Очевидно, что, как и в случае фуллеренов, модификаций (полиморф), приведенных в обзоре [3]. синтез таких фулборенов в опытных количествах и В частности, необычные полиморфы BN, промежуточ- кристаллов из них Ч это лишь дело времени, что ные по плотности между h-BN ( = 2.28 г/см3) и c-BN служит стимулом для их получения и исследования.
( = 3.5г/см3), были синтезированы Бацановым [4], Курдюмовым [5], Акаши [6], Соколовской [7] и Вангом [8].
Однако структура их оставалась неустановленной.
Ключ к расшифровке подобных полиморф дан в работах [9,10], в которых впервые были рассмотрены фулборены Чмолекулы фуллеренов B12N12, B24N24 и B60N(последний Ч аналог бакминстерфуллерена C60), которые служат строительными блоками фулборенитов Ч кристаллов с простой кубической (ПК), гранецентрированной кубической (ГЦК), объемноцентрированной кубической (ОЦК) и алмазной решетками. Успешность этого подхода продемонстрирована в работе [11], в котоРис. 1. Молекулы фулборенов: a ЧB12N12, b ЧB24N24.
рой было показано, что давно известный так называемый кубический графит Ч кристалл с простой кубической решеткой, в узлах которой расположены молекулы фуЦель данной работы Ч расчет электронных свойств лерена C24 (ПКФ-C24). Очевидно, что эта фаза не едингипералмазного фулборенита ГАФ-B12N12 и фулборественная, т. е. могут существовать и другие аллотропы нитов ПКФ-B24N24, ПКФ-B12N12 с простой кубической углерода и полиморфы нитрида бора. Это дало толчок решеткой (рис. 2).
к теоретическим исследованиям и предсказанию свойств Так авторы [12] обозначают соединения кластера C8 и 8 кла E-mail: pokr@ipms.kiev.ua стеров C20 в элементарную ячейку C8@(C20)8. Знак @ обозначает E-mail: bekenev@ipms.kiev.ua соединение одного кластера внутри другого, а подчеркнутое @ Ч наружное соединение.
Электронные свойства и объемные модули новых полиморф нитрида бора Ч гипералмазного B12N12... Рис. 2. Элементарные ячейки: a Ч гипералмазного фулборенита ГАФ-B12N12 в проекции на плоскость (111); простых кубических фулборенитов: b Ч ПКФ-B24N24, c Ч ПКФ-B12N12. В вершинах куба (выделен толстыми линиями) расположены фулборены.
Рис. 3. Зависимость полной энергии от атомного объема для фулборенитов: a Ч ГАФ-B12N12, b Ч ПКФ-B24N24, c Ч ПКФ-B12N12.
2. Методика расчетов ного потенциала использовали обобщенно-градиентное приближение [16]. Радиус muffin-tin сфер во всех ваРасчеты полной энергии проводили линеаризованным риантах расчета равнялся 1.2 и 1.1 а.е. для бора и методом присоединенных плоских волн с полным по- азота соответственно. Секулярная матрица была потенциалом (FLAPW) [15]. Для обменно-корреляцион- рядка 2100-2200. Интегрирование по зоне Бриллюэна 2 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 658 В.В. Покропивный, В.Л. Бекенев Рис. 4. Зонная структура фулборенитов: a Ч ГАФ-B12N12, b Ч ПКФ-B24N24, c Ч ПКФ-B12N12, EF Ч уровень Ферми.
проводили обощненным методом тетраэдров [17] с ис- Ч ГАФ-B12N12 Ч Fd-3, № 203 согласно [19], инпользованием 56 точек в неприводимой части зоны. декс Вискоффа Ч 24g, B (-0.375, 0.30253, 0.03624) и Релаксацию положений атомов не проводили. N (-0.28624, 0.30253, 0.125).
Поскольку длины связей aBN и постоянные решеток заранее неизвестны, их находили из результатов расчета зависимости полной энергии кристалла от объема, ми3. Результаты и анализ нимум которой соответствует равновесному состоянию.
Равновесный объем элементарной ячейки, объемный Результаты расчетов представлены на рис. 3Ц6 и в модуль и его производную по давлению определяли, таблице.
аппроксимируя полученную зависмость полной энергии На рис. 3 представлены кривые полной энергии.
от объема уравнением Мурнагана [18].
Наличие минимума на этих кривых является необхоПриведем индексы пространственных групп симметдимым условием механической стабильности данных рии и координаты атомов базиса для рассмотренных кристаллов.
кристаллов:
Ч ПКФ-B12N12 Ч Pm-3, № 200 согласно [19], Для равновесного параметра решетки рассчитаны индекс Вискоффа Ч 12k, B(0.0, 0.13060, 0.31530) энергетическая зонная структура (рис. 4), полная и и N(0.0, -0.31530, 0.13060); парциальные плотности состояний (рис. 5) и карты распределения электронной плотности в ряде плоскоЧ ПКФ-B24N24 Ч I432, № 211 согласно [19], индекс Вискоффа Ч 24i, B(0.75, 0.39645, 0.89645) стей (рис. 6). Начало отсчета энергии совмещено с и N(0.75, 0.10355, 0.60355); энергией верхнего занятого уровня.
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электронные свойства и объемные модули новых полиморф нитрида бора Ч гипералмазного B12N12... Рис. 5. Полная и парциальные плотности состояний в фулборенитах: a Ч ГАФ-B12N12, b Ч ПКФ-B24N24, c Ч ПКФ-B12N12.
4. ГАФ-B12N12 экспериментальными, мы обнаружили [3], что при длине межатомной связи aBN = 0.145 нм расчетный параметр решетки и плотность (a = 1.152 нм, = 2.59 г/см3) соЭлементарная ячейка полиморфы ГАФ-B12N12 показаответствуют экспериментальным значениям E-фазы [4] на на рис. 2. Это алмазная решетка типа сфалерита, в (a = 1.114 нм, = 2.5-2.6г/см3). Это дает основание узлах которой расположены фулборены B12N12. Сравнипредполагать, что E-фаза Ч это ГАФ-B12N12.
вая теоретически предсказанные параметры решетки с Поразительно, но объемный модуль ГАФ-B12N(B0 = 658 ГПа) оказался выше, чем у алмаза Рассчитанные параметры фулборенитов: длина связи aBN, па- (B0 = 443 ГПа) и сфалеритного нитрида бора c-BN раметр решетки a, число атомов в элементарной ячейке Z, (B0 = 369-400 ГПа)! Следовательно, и твердость его плотность, ширина запрещенной зоны Eg, объемный мобудет выше, так как объемный модуль Ч первичная дуль Bфизическая величина, определяющая твердость и другие механические характеристики, а не наоборот.
Фулборенит aBN, нм a, нм Z, г/см3 Eg, эВ B0, ГПа Твердость зависит от зеренной и дефектной структуры, способа измерения и т. п., поэтому колеблется для ГАФ-B12N12 0.1405 1.1191 192 2.823 3.05 ПКФ-B24N24 0.1521 0.7346 48 2.495 3.76 367 искусственных и природных алмазов в больших ПКФ-B12N12 0.1537 0.5886 24 2.425 0.1 пределах (HM 93-275 ГПа, HB 45-140 ГПа, 2 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 660 В.В. Покропивный, В.Л. Бекенев Видно, что ГАФ-B12N12 имеет пористую структуру типа фажозита.
5. ПКФ-B24NВ результате проведенных расчетов установлено, что фулборенит ПКФ-B24N24 имеет следующие характеристики: равновесный параметр ПК решетки a = 0.7346 нм, длина BЦN-связи aBN = 0.1521 нм, число атомов в элементарной ячейке Z = 48, плотность = 2.495 г/см3, объемный модуль B0 = 367 ГПа, ширина запрещенной зоны Eg = 3.76 эВ. У изолированного кластера B24N24 Eg = 4.9эВ [14]. Равновесная длина связи борЦазот несколько меньше, чем в кубическом нитриде бора aBN = 0.1565 нм [19], и близка к длинам связей между n-членными кольцами в изолированной молекуле a8-6 = 0.1425, a8-4 = 0.1503, a6-4 = 0.1529 нм [14].
Анализ расчетов показывает, что: а) имеется перенос электронного заряда от бора к азоту; б) доля ковалентной межатомной связи больше, чем ионной, так как вклад s-парциальной плотности меньше, чем p-составляющей; в) ширина запрещенной зоны равна Eg = 3.76 эВ, что меньше, чем у изолированного кластера Eg = 4.9эВ [14].
Таким образом, ПКФ-B24N24 Ч гетерополярный полупроводник или диэлектрик с объемным модулем, сравнимым с объемным модулем кубического нитрида бора. Вместе с тем это новый нитридборный цеолит с диаметром каналов 0.46 нм. Все это указывает на ПКФ-B24N24 как на новый перспективный полупроводник, легкий сверхтвердый конструкционный материал, молекулярное сито и катализатор.
Предварительные дифрактограммы, ИК и КР спектры показывают наличие этой фазы в образцах, полученных нами методом сверхкритического флюидного синтеза, Рис. 5 (продолжение).
что будет изложено отдельно.
6. ПКФ-B12NHK 45-85 ГПа, HV 100 ГПа) [20], а значения микротвердости на порядок выше (H 1000 ГПа).
Расчетные характеристики приведены в таблице. ВидУпругие же модули зависят только от силы межатомных но что ПКФ-B12N12 Ч это полуметалл с шириной связей и структуры. Сила sp3-связей BЦN в ГАФ-B12N12 щели 0.1 эВ.
не превышает таковой для c-BN (4.00 эВ) из-за Следует отметить, что решетка ПКФ-B12N12 не самая искажения тетраэдров и отклонения углов между стабильная, так как содержит связи BЦB, NЦN, которые связями (90, 120) от равновесных (109.47).
отсутствуют в самом фулборене B12N12 и во всех Следовательно, повышение объемного модуля в известных соединениях борЦазот. Исключить такие связи ГАФ-B12N12 происходит за счет усиления каркаса между двумя соседними фулборенами можно, если один решетки. По сравнению со сфалеритным BN он из них повернуть на 90 вокруг общей оси 2-го порядка деформирован, но прочность его выше. Это можно (оси, проходящей через центры квадратных граней).
объяснить тем, что под действием сжимающей нагрузки Последовательное исключение связей BЦB, NЦN приструктура хоть и деформируется, но не ослабляется, как водит к возникновению гранецентрированной решетки в алмазе, а наоборот, восстанавливается и переходит типа NaCl, в которой атомам натрия соответствует в более равновесное состояние. Энергия внутренных исходная молекулa фулборена B12N12, а атомамхлора Ч напряжений компенсируется внешней нагрузкой. Подоб- повернутая. Подобная структура будет рассчитана отный способ используется в строительных конструкциях. дельно и здесь не рассмаривается.
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электронные свойства и объемные модули новых полиморф нитрида бора Ч гипералмазного B12N12... Рис. 6. Карты распределения электронной плотности в ПКФ-B24N24 в плоскостях: a Ч z = 0.1035a0, b Ч z = 0.25a0, c Ч z = 0.3964a0 и в ПКФ-B12N12 в плоскостях: d Ч z = 0, e Ч z = 0.184a0 и f Ч z = 0.369a0, где a0 Ч параметр решетки.
7. Заключение [5] А.В. Курдюмов, А.Н. Пилянкевич. В кн.: Бор. Получение, структура и свойства (М., Наука, 1984) с. 181.
На основании выполненных расчетов можно заклю- [6] Т. Akashi, H. R. Pak, A.B. Sawaoka. J. Mater. Sci., 21, 4060 (1986).
чить, что:
[7] A. Sokolovska, A. Olszyna. J. Cryst. Growth, 116, 507 (1992).
1) ГАФ-B12N12 Ч это неизвестный ранее уникальный [8] J.B. Wang, X.L. Zhong, C.Y. Zhang, B.Q. Huang, G.W. Yang.
егкий сверхтвердый полупроводниковый нитридборный J. Mater. Res., 18, 2774 (2003).
фажозит с объемным модулем выше, чем у алмаза;
[9] В.В. Покропивный, А.В. Покропивный, В.В. Скороход, 2) ПКФ-B24N24 Ч это гетерополярный полупроводник А.В. Курдюмов. Докл. НАН Украины, 4, 112 (1999).
или диэлеткрик с объемным модулем, сравнимым с [10] V.V. Pokropivny, V.V. Skorokhod, G.S. Oleinik, A.V. Kurобъемным модулем кубического нитрида бора;
dyumov, T.S. Bartnitskaya, A.V. Pokropivny, A.G. Sisonyuk, 3) ПКФ-B12N12 Ч полуметалл.
D.M. Sheichenko. J. Sol. St. Chem., 154, 214 (2000).
[11] В.В. Покропивный, А.В. Покропивный. ФТТ, 46, Работа выполнена при поддержке гранта CRDF 380 (2004).
№ UE2-2456-KV-02.
[12] А.Л. Чистяков, И.В. Станкевич, А.А. Корлюков. ФТТ, 47, 184 (2005).
[13] V.V. Pokropivny, V.L. Bekenev. Fullerenes, Nanotubes and Список литературы Carbon Nanostructures, 13, S. 1, 415 (2005).
[14] T. Oku, A. Nishiwaki, I. Narita, M. Gonda. Chem. Phys. Lett., [1] R.T. Paine, C.K. Narula. Chem. Rev., 90, 73 (1990).
[2] А.В. Курдюмов, В.Г. Малоголовец, Н.В. Новиков, А.Н. Пи- 380, 620 (2003).
янкевич, Л.А. Шульман. Полиморфные модификации [15] P. Blaha, K. Schwarz, J. Luitz. WIEN97, A Full Potential углерода и нитрида бора. Справочник (М., Металлур- Linearized Augmented Plane Wave Package for Calculating гия, 1994). Crystal Properties (Vienna, Technical University, 1999).
[3] В.В. Покропивный. Наноструктурное материаловедение, [16] J.P. Perdew, S. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett., 77, 1, 38 (2005). 3865 (1996).
[4] С.С. Бацанов, Г.Е. Блохин, А.А. Дерибас. Журн. структур. [17] P.E. Bloch, O. Jepsen, O.K. Andersen. Phys. Rev. B, 49, химии, 6, 227 (1965). 16 223 (1994).
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 662 В.В. Покропивный, В.Л. Бекенев [18] F.D. Murnaghan. Proc. National. Acad. Sci. USA, 30, 244 (1944).
[19] T. Soma, S. Sawaoko, S. Satio. Mater. Res. Bull., 9, 755 (1974).
[20] Физические свойства алмаза. Справочник, под ред.
Н.В. Новикова (Киев, Наук. думка, 1987).
Редактор Л.В. Беляков Electronic properties and bulk modula of novel boron nitride polymorphes Ч hyperdiamond B12Nand the simple cubic B24N24, B12Nfulborenites V.V. Pokropivny, V.L. Bekenev Frantsevich Institute for Problems of Material Science, National Academy of Sciences of Ukraine, 03142 Kiev, Ukraine
Pages: | 1 | 2 |![](images/doc.gif)