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立方氮化硼(C-BN)薄膜的红外光谱赵永年吉林大学超硬材料国家重点实验室长春130012C-BN像金刚石一样是聚许多优异性能於一身的多功能材料，它的硬度、热导率仅次於金刚石；而化学稳定性和抗高温氧化性却优於金刚石，尤其是它不像金刚石那样与铁元素有亲合性，是加工含铁元素材料的最硬工具材料；它在很宽的光谱范目内有很高的光透过率；它还是即能ｎ型掺杂又组Ｐ型掺杂的宽禁带半导体材料；由於它有负表面亲合势，所以是电子场发射材料。
C-BN的生长条件十分苛刻，至合在在自然界还没有找到它。
高温高压条件下合成的C-BN颗粒粒度小硬度高又不易改变形状，因此应用受到限制。
人们把广泛应用的希望寄於薄膜。
一、C-BN和h-BN的表征C-BN薄膜的沉积过程中经常有另一种构象的h-BN同时出现，红外光谱是区别两者的最好的工具，如图所示1380cm-1和780cm-1两个红外吸收峰分别是h-BN的拉伸振动模和N-B-N 的变形振动模，而1085cm-1附近的吸收峰是C-BN的特征吸收峰，由此我们可以在沉积的薄膜中区指认h-BN和C-BN。
图1 h-BN的红外光谱图2 C-BN的红外光谱图3 BN薄膜的红外光谱图3中上面吸收峰表明薄膜中只有C-BN，而下边的谱表明薄膜只两构象混合即有C-BN 也有h-BN。
二.C-BN的制备图4 用磁控溅射方法在不同基板负偏压情况下制备的ＢＮ薄膜的红外光谱图4中可以看到在不同的基板条件下制备的薄膜中h-BN和C-BN的含量有变化。
负偏压在-100伏以下薄膜是纯六角相，在-160伏时薄膜是h-BN和C-BN的混合相，当负偏压达到-220伏时薄膜是纯立方相。
当负偏压达到-260伏时由於离子能量过大，反溅射结果造成薄膜减薄，最后无法生长。
图5 BN薄膜生长的相图图5是一张相图，图中园点表明纯六角相，三角表明混合相，方框代表纯立方相，由此可以看到C-BN生长区很少，也就是它的生长条件是十分苛刻的。
三.C-BN薄膜的内应力C-BN薄膜制备中遇到的最大问题薄膜的内应力，由于内应力的存在，薄膜非常容易爆裂，多则几天少则几分钟就可能爆裂，而且C-BN的含量越高薄膜越易爆裂。
立方氮化硼结构立方氮化硼（cubic boron nitride，简称CBN）是一种类似于金刚石的超硬材料，具有优异的物理和化学性质。
它由硼原子和氮原子通过共价键结合而成，形成了立方晶体结构。
本文将对立方氮化硼的结构和性质进行详细介绍。
一、立方氮化硼的晶体结构立方氮化硼的晶体结构属于立方晶系，空间群为Fd-3m，每个晶胞包含两个硼原子和两个氮原子。
其晶格常数为a=3.615 Å。
立方氮化硼晶体中的硼原子和氮原子交替排列，形成了类似于钻石的立方晶体结构。
这种结构使得立方氮化硼具有类似于金刚石的硬度和优异的热导性能。
二、立方氮化硼的物理性质1.硬度：立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，居于世界之首。
它的硬度可达到48~52 GPa，是金刚石硬度的2倍以上。
这使得立方氮化硼成为制备高硬度刀具和磨料的理想材料。
2.热导性：立方氮化硼具有优异的热导性能，其热导率约为金刚石的4倍。
这使得立方氮化硼在高温环境下有良好的热稳定性，可以用于制备高温刀具和磨料。
3.化学稳定性：立方氮化硼在常温下具有良好的化学稳定性，不受大多数酸和碱的侵蚀。
这使得立方氮化硼可以用于制备耐酸碱刀具和化学反应器。
4.电绝缘性：立方氮化硼是一种优秀的电绝缘体，具有较高的电阻率。
这使得立方氮化硼可以用于制备电子元件和绝缘材料。
三、立方氮化硼的应用领域1.切削加工：立方氮化硼具有优异的硬度和热导性能，可以用于制备高硬度刀具，用于高速切削、磨削和车削加工。
它可以加工各种硬度的金属材料，如铸铁、钢、高温合金等。
2.磨料研磨：立方氮化硼作为一种超硬磨料，可以用于制备砂轮、研磨片等磨具，用于高精度磨削和抛光加工。
它在航空航天、汽车制造等领域有广泛的应用。
3.化学反应器：立方氮化硼具有良好的化学稳定性，可以用于制备耐酸碱的化学反应器。
它在化工、制药等领域有重要的应用。
4.电子元件：立方氮化硼作为优秀的电绝缘体，可以用于制备电子元件，如集成电路、高压绝缘材料等。
氮化硼晶体结构
氮化硼是由氮元素和硼元素组成的化合物，是一种重要的半导体材料。
氮化硼具有多种形式，其中晶体构型是最重要的，因其在电子器件、传感器及其他电子电路中发挥重要作用。
本文将详细介绍氮化硼晶体的结构。
氮化硼晶体具有半导体性质，其特性主要取决于它的结构。
它的晶体结构由氮元素和硼元素组成的四方立方结构构成，每一面片上都有六个氮原子和四个硼原子。
每个硼原子都和三个氮原子相邻，而每个氮原子也被邻接的三个硼原子所包围。
氮化硼的晶体构型非常独特，是由电子和空隙结构组成的，其核心是N-B键，其中N和B分别为氮和硼原子。
在晶体构型中，氮原子具有比硼原子更多的电子，从而确保氮原子的负电荷大于硼原子，从而形成N-B键。
氮化硼晶体结构也是如何影响其性能的？氮化硼具有半导体特性，这意味着他们可以将电能转换为光能，反之亦然。
氮化硼晶体具有电子和空隙的结构，使其具有了非常高的电导率，可以促进电子的自由运动。
此外，氮化硼晶体结构还决定了它的热稳定性。
由于氮原子和硼原子相连的N-B键拥有更多的电子，使它具有较强的吸热效应，这就使得氮化硼晶体更加热稳定。
氮化硼晶体结构也决定了它的机械性能。
硼氮键体系同时具有较高的抗疲劳性能，使其具有良好的耐热阻尼性能和抗拉强度。
此外，由于氮化硼晶体结构属于自然层晶结构，也就是说，它的晶体层次结
构很容易形成，可以使它更强大、更耐用。
综上所述，氮化硼晶体结构是一种特殊的结构，在诸多器件中发挥着重要作用。
它具有非常高的抗热性、抗拉强度以及良好的热稳定性，是一种具有重要应用价值的材料。
立方氮化硼的性能和应用作者：李重阳来源：《科技视界》 2014年第15期李重阳（郑州锐利超硬材料有限公司，河南郑州 450000）【摘要】立方氮化硼（cBN）是由六方氮化硼（hBN）在高温高压下合成的，因其独特的结构和性能在磨削加工行业得到广泛应用,本文就其结构、性能和主要应用范围进行简单介绍。
【关键词】立方氮化硼；热稳定性；应用1 立方氮化硼的结构和性能1.1 立方氮化硼的结构cBN具有类似金刚石的晶体结构，晶格常数相近(金刚石为0.3567nm,cBN为0.3615nm)，且晶体中的结合键基本相同，即都是沿四面体杂化轨道形成的共价键，在cBN的晶体结构，若以碳原子(C)置换氮(N)和硼(B)原子，便形成金刚石的晶体结构。
cBN最典型的几何形状是正四面体晶面与负四面体晶面的结合，常见的形态有：四面体、假八面体、假六面体（扁平的四面体） [1]。
根据cBN的B、N表面腐蚀的显微结构,四面体的cBN晶体可分为两种：一种是硼四面体，即四个表面是硼表面；另一种是氮四面体，即四个表面是氮表面。
二者的特征不同。
1.2 立方氮化硼的性能1.2.1 硬度立方氮化硼莫氏硬度为9.7（金刚石10），维氏硬度为7500（金刚石10000），仅次于金刚石。
超硬材料（立方氮化硼与立方金刚石）的共价键“键角”为109°28′。
正是这个109°28′共价键键角，使得立方氮化硼与立方金刚石具有最高的硬度而被称为超硬材料。
冯士光[2]认为超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）当体系处于平衡稳定态时，109°28′是力学领域结构强度最高的取向；（2）当体系平衡稳定遭到破坏而处于不稳定状态时，109°28′是“应力能”自发高效地释放时阻力最小的“途径”取向，而裂纹走向即内在应力能释放取向的外在表征；（3）109°28′是空间结构高效、低耗的最优化取向。
1.2.2 强度强度是cBN产品分级和评定其质量的重要指标[3]。
高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质的第一性原理研究吴礼海;于普良;钟敏【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2024(53)4【摘要】本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,优化了三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的几何结构,研究了高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质。
结构和力学性质研究表明,Ti_(2)AlN的压缩性优于Zr_(2)AlN,弹性常数证实了高压下的力学稳定性。
延展性和弹性各向异性随着压力的增加而增强,Zr_(2)AlN对压力更加敏感。
电子性质研究表明,两种三元层状氮化物均表现为金属性,共价性随着压力的增加而增强。
Ti_(2)AlN和Zr_(2)AlN的多晶体和不同轴上的静态介电函数ε_(1)(0)以及静态折射率n(0)表明光学性质存在较低的各向异性,两种三层状氮化物都表现出较强的光吸收能力和反射率。
本文的理论研究阐述了高压下三元层状氮化物Ti_(2)AlN和Zr 2AlN的相关性质,为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据。
【总页数】13页(P656-668)【作者】吴礼海;于普良;钟敏【作者单位】武汉科技大学冶金装备及控制教育部重点实验室;武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室;武汉科技大学精密制造研究院【正文语种】中文【中图分类】O521.2【相关文献】1.Ti_3AC_2/Zr(A=Si,Al)范德华异质结材料的几何结构、电子结构和弹性性质的第一性原理研究2.高温高压下立方氮化硼和六方氮化硼的结构、力学、热力学、电学以及光学性质的第一性原理研究3.高压下氧化镉弹性性质、电子结构和光学性质的第一性原理研究4.高压下G_(2)ZT晶体结构、电子结构和光学性质的第一性原理研究5.BaZr_(0.5)Ti_(0.5)O_3电子结构、力学和光学性质的第一性原理研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
立方氮化硼的晶体特性及光吸收的研究
【摘要】立方氮化硼（（CubieBoronNitride cBN）是一种人工合成的半导体材料，有很优异的物理、化学性质。
cBN禁带较宽，宽度达 6.4eV，截止波长为193nm，非常适合用于深紫外日盲区的探测。
与其它用于紫外光探测的材料相比cBN具有介电常数小、禁带宽度更大、寄生电容小、工作温度高、器件的响应速度快、抗高能粒子辐射、耐腐蚀等优点，而且材料的击穿电压较高，是一种发展前景广阔的半导体材料。
本文对立方氮化硼结构及对光吸收进行研究，指出其性质特点，揭示光吸收机理。
【关键词】立方氮化硼;晶体;光吸收
1.引言
立方氮化硼（cBN）晶体是人工合成的晶体，是自然界不存在的一种原生矿，到目前为止，还没有发现天然的cBN 晶体。
1957年，美国采用超高压技术合成出cBN[1]，20世纪60年代初，前苏联、德国、日本和英国也相继成功地合成出了cBN，1966年，郑州的磨料磨具磨削研究所成功合成出中国第一颗cBN，从而拉开了中国cBN的研究序幕。
cBN单晶的熔点高，硬度大、热传导率高，这与金刚石晶体很相似，从化学稳定性、抗氧化性等方面来讲，cBN晶体更显优越。
n型、p型的cBN晶体可通过杂质掺杂技术可以得到，它是结构最简单的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族的化合物材料中，cBN晶体的禁带宽度最大。
cBN是一种典型超硬材料，不但在机械加工领域已经得到了广泛应用，在高温、高功率宽带器件及微电子学领域也有着广泛的应用前景，它可作为光的高次谐波发生器、光学整流器、电光调制器、光参量放大器、可见-紫外光转换器等。
立方氮化硼材料的特性及对光的吸收研究对航空、严酷环境条件下应用器件的突破及国民经济各领域都有着重要的现实意义。
2.立方氮化硼晶体的结构和性质
2.1 立方氮化硼晶体的结构
图1 立方氮化硼的晶体结构
图2 晶体中B、N原子排列构成正四面体
立方氮化硼晶体的堆垛方式是ABCABC…的形式，BN的形成原因可利用杂化轨道理论解释。
到目前为止，氮化硼有五种相：sp2杂化、sp3杂化的相各两种，分别是六角和菱面体氮化硼、六方和立方氮化硼;混合相一种：sp2与sp3杂化。
氮化硼的相结构在一定的条件下可相互转变。
cBN具有类似于金刚石的晶体结构，如图1和图2所示，每一层结构都是按紧密堆积的原则形成，由硼原子和
氮原子构成的单层互相交替。
它是氮化硼sp3杂化后形成的，晶体中的结合键也都是沿四面体杂化轨道形成的共价键，不区别在于金刚石中的结合键是C-C共价键，而立方氮化硼晶体中的结合键是B-N不同种类原子间的共价键，还有一些的结合较弱的离子键。
2.2 立方氮化硼晶体的性质
cBN与金刚石结构和性质很相似，表1列出两种材料的基本性质对比，表1表明：在硬度和热导率方面立方氮化硼晶体比金刚石小，但cBN 晶体稳定性比金刚石要好，在空气中发生cBN氧化的温度为1200℃，而金刚石是600℃。
表2列出了立方氮化硅的基本性质。
表1 立方氮化硼和金刚石的性质对比
表2 立方氮化硼的基本性质
3.立方氮化硼晶体的光吸收
半导体最重要的吸收是价电子吸收，当固定频率的光入射到材料表面时，电子会吸收光子够的能量，从价带跃迁到导带。
电子从低能带跃迁到高能带的原理类似于原子中的电子从低能级跃迁到高能级的原理，但原子能级是不连续的，两能级间的能量差是固定的，电子的跃迁只能吸收一定频率的光子，吸收形式表现为线吸收;实际在晶体中，吸收多为连续的能带，因此，光吸收表现为连续的吸收带。
3.1 本征吸收
在绝对零度时，半导体内电子占满所有价带，价带内的电子不会被激发到高能级上。
但光入射到材料上，电子有可能吸收足够能量的光子的能量而被激发跃迁入空的导带，在价带中剩余空穴，形成电子-空穴对，如图3所示。
图3 光的本征吸收
图4 电子的直接跃
图5 自由载流子吸收
图6 杂质吸收中的电子跃迁
3.2 跃迁
在电子吸收光子的过程中，必须满足能量守恒外、动量守恒。
设电子原波矢
是k，目标状态波矢是k’，对于能带中的电子，hk具有动量的性质，跃迁过程中，k和k’须满足：hk’-hk=hv，如图4所示。
3.3 其它吸收
1）自由载流子吸收
入射到半导体材料的一定频率的光，若入射光子的能量较低，低于禁带宽度，但吸收也也同样存在，且吸收强度与波长有关，随波长的增大而增加。
图5表示自由载流子的吸收作用，这是在本征吸收限以外的长波不断增强的吸收。
这由自由载流子在带内的跃迁所引起的，我们称之为自由载流子吸收。
2）杂质吸收
价带中的电子跃迁到杂质能级上，与杂质能级上的空穴复合，我们把这种光吸收称为杂质吸收。
杂质能级上的电子或空穴也能引起光的吸收。
电子吸收光子跃迁到导带，空穴也吸收光子而跃迁到价带，如图6所示。
4.结语
cBN的大尺寸晶体培育技术、用化学气相沉积法培育功能性cBN晶体的技术及其在光、电、热等方面的研究均落后于国际水平，纳米cBN等前沿技术及其产品的开发与应用研究有待提高。
cBN晶体经过几十年的研究发展，还只是在作为工程材料这一应用方面卓有成效，但在作为功能材料方面的应用研究还有需提高，其具有潜在前景，希望人们去探索、开发、应用。
以后提及cBN材料时，不仅要把cBN用作工程材料作为主流，也要把cBN作为功能材料来开发，这样才能使cBN材料及其应用得到全方位的发展，为社会创造更大的价值。
参考文献
[1]Wentorf R H.Cubic form of boron nitride[J].Chem Phys，1957，26：956
[2]冯双.立方氮化硼紫外光电效应的研究[D].吉林大学，2010
[3]刘海波.立方氮化硼单晶半导体特性及电致发光现象的研究[D].吉林大学，2008
课题来源：吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目（2010496号）。
