[發明專利]一種多層類異質結結構三元硼碳氮功能材料的合成方法

有效

• 申請號: 201410201072.2
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103979975A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 萬錒俊;翟進輝
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明屬于材料學和物理學交叉領域，具體涉及了一種多層類異質結結構三元硼碳氮功能材料的合成方法。

背景技術

金剛石是已知硬度最高的材料，其維氏硬度高達98GPa，是傳統的磨削、切割工具的理想材料。其缺點是抗氧化溫度偏低，當溫度超過800℃后容易氧化。而c-BN耐高溫、抗氧化，但商業化的多晶c-BN微晶的硬度僅有33-45GPa，遠低于金剛石，難以滿足工業化應用的要求。1989年，Liu預言β-C₃N₄晶體是一種潛在的超硬材料(Liu，Cohen.Science，1989，245，841-842)。然而經過人們十幾年的努力，β-C₃N₄晶體的合成仍難以突破。此后，在國際上掀起了一股設計、合成新型超硬材料的熱潮。由于C和BN在結構和相變規律等方面的相似性，又因它們某些物理性質存在極大的差異，人們期望將兩者結合起來獲得一種新的具有特殊的力、熱、電、光等性能的材料。具備兩種材料優點的新型三元B-C-N材料應運而生。前人的研究主要集中在C和BN具有理想化學配比的BC₂N化合物。理論上，通過改變C和BN的含量，可設計出不同組分的B-C-N材料。隨著制備技術的進步，理論設計具有優異物理性能的B-C-N材料，在未來將有望被合成出來。

研究表明，三元B-C-N材料在常溫常壓下是以亞穩態存在。由于其熱力學不穩定性，在合成過程中易于分相，給合成這種材料帶來了很大的困難。人們采用各種合成方法獲得了B-C-N晶體或固溶體。如CVD(Kouvetakis，et?al.Synth.Met.，1990，34，1-7)、PVD(Dinescu，et?al.App1.Surf.Sci.，1998，129，692-696)、化學法(Riedel，et?al.Adv.Mater.，1991，3，551-552；Hubacek，et?al.J.Solid?State?Chem.，1995，114，258-264)、沖擊法(Yamada,et?al.J.Am.Ceram.Soc.，1998，81，1941-1944)、機械合金法(Yao，et?al.J.Appl.Phys.，1998，84，1412-1415)、高溫高壓法(Badzian.Mater.Res.Bull.，1981，16，1385-1393；Solozhenko，et?al?Appl.Phys.Lett.，2001，78，1385-1387)等。

根據合成方法和工藝的不同，前人合成的B-C-N材料中C和BN的組分在一定范圍內是可調的。未來可通過調節三種原子的成鍵方式，對材料的結構和性能進行人為的調控，來合成具有奇特結構和優異物理性能的新型功能材料。石墨和h-BN具有相似的晶體結構、相近的原子間距和熱膨脹系數以及不同的導電類型，滿足了形成金屬-絕緣體異質結的條件。Ponomarenko等報道了將石墨烯像三明治一樣夾在h-BN中形成一種具有奇特輸運特性的B-C-N異質結結構(Ponomarenko，Geim，et?al.Nature?Physics，2011，7，958-961)。這種異質結結構的B-C-N材料在未來會成為潛在的光電器件候選材料，具有廣闊的應用前景。目前，采用上述的制備工藝無法合成塊體的類異質結結構的B-C-N材料。

迄今為止，國內外已有與三元B-C-N材料的合成方法相關的專利報道。日本專利例如：以BCl₃和氰甲烷為反應物采用化學氣相沉積法制備六方相的BC₂N薄膜或粉體，再將BC₂N粉末與Co、Fe、Ni及其合金中的一種混合在1360℃進行熱處理獲得立方相硼碳氮晶體(公開號JP01316460；JP94091954)。中國專利例如：田永君將球磨后的B-C-N前驅體與觸媒粉末按一定摩爾比混合后，在5.5GPa和1400～1500℃下處理一段時間獲得立方相BC₂N和B₂CN晶體(公開號CH1451472A)；李海鵬等采用化學氣相沉積法制備硼碳氮的納米管(公開號CN201210593109.1)。