新型超硬材料铂族金属氮化物的晶体结构与性能研究

新型超硬材料铂族金属氮化物的相继合成，受到高压科学研究人员的关注。贵金属氮化物的高压合成与物性研究已成为当今凝聚态物理的重要前沿课题之一。目前，国际上对贵金属氮化物的晶体结构和晶胞原子位置还未形成统一认识，对其合成机制和性能研究大多停留在理论探讨阶段。本项目充分利用大腔体高压合成的优势，即合成样品量较大，便于通过实验确定样品的晶体结构与各项物理性质，在合成氮化铱（IrNx）的前期工作基础上，进一步开发大腔体高压合成贵金属氮化物的新途径。项目以高化学活性的铱（Ir）、铂（Pt）和钌（Ru）等金属纳米微粉为前驱体，利用非晶BN中的N原子为固态氮源，在压力10-15GPa和温度1800-2000K的条件下，通过大腔体高压装置合成IrNx、PtNx和RuNx等金属氮化物,确定其准确晶体结构和晶胞原子位置，并深入研究其物理性能与晶体结构之间的关系，为认识贵金属氮化物的高压合成机制与规律奠定实验基础。

新型超硬材料铂族贵金属氮化物、硼化物的合成、晶体结构与物理性能是目前凝聚态物理研究领域的前沿课题。在国家自然科学基金资助下，本课题组结合机械合金化、真空电弧熔炼和大腔体极端高压高温合成方法，完成了一系列过渡族金属化合物如IrNx、PtNx、RuBx和WBx等化合物的合成、晶体结构和性能表征等研究工作。如在高温高压条件下，通过IrCl3和Li3N之间的复分解反应、Ir粉和非晶BN粉的固态反应，成功合成出具有面心立方结构的IrNx晶体；以Pt粉和六方BN粉为原料，合成出面心立方结构的PtNx晶体。结合SEM、TEM、DSC、XPS和Raman光谱等多种测试分析技术，对所合成样品的形貌、热稳定性、元素组成和晶体结构对称性进行了系统研究，并通过改变原料的摩尔配比、合成温度、合成压力等条件，研究了N元素含量变化对贵金属氮化物晶体结构的影响规律。.在成功制备贵金属氮化物的基础上，本课题组还开展了合成过渡金属（如Ru和W）富硼硼化物超硬材料的研究工作。实验过程中，分别以金属Ru粉和B粉、W粉和B粉为原料，结合球磨、真空烧结和高温高压技术，制备出RuB、 RuB2、 Ru2B3、W2B、δ-WB、ε-W2B5和α-W2B5等金属硼化物，并系统研究了热力学合成条件对金属硼化物晶体结构稳定性的影响规律。感谢国家自然基金对我们的信任与大力支持，使我们的研究能够顺利进行。同时这些实验成果的获得，使我们能够深入认识贵金属氮化物、硼化物的晶体结构与物理性能的关系，为今后研究其它如Re、Rh、Os和Pd等贵金属元素氮化物和硼化物新型超硬材料的高温高压合成机制奠定了实验基础。