Computational Predictions and Microwave Plasma Synthesis of Superhard Boron-Carbon Materials

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作者
Paul A. Baker,Shane A. Catledge,Sumner B. Harris,Kathryn Ham,Wei-Chih Chen,Cheng-Chien Chen,Yogesh K. Vohra
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:11 (8): 1279-1279 被引量:13
标识
DOI:10.3390/ma11081279
摘要

Superhard boron-carbon materials are of prime interest due to their non-oxidizing properties at high temperatures compared to diamond-based materials and their non-reactivity with ferrous metals under extreme conditions. In this work, evolutionary algorithms combined with density functional theory have been utilized to predict stable structures and properties for the boron-carbon system, including the elusive superhard BC5 compound. We report on the microwave plasma chemical vapor deposition on a silicon substrate of a series of composite materials containing amorphous boron-doped graphitic carbon, boron-doped diamond, and a cubic hard-phase with a boron-content as high as 7.7 at%. The nanoindentation hardness of these composite materials can be tailored from 8 GPa to as high as 62 GPa depending on the growth conditions. These materials have been characterized by electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, and nanoindentation hardness, and the experimental results are compared with theoretical predictions. Our studies show that a significant amount of boron up to 7.7 at% can be accommodated in the cubic phase of diamond and its phonon modes and mechanical properties can be accurately modeled by theory. This cubic hard-phase can be incorporated into amorphous boron-carbon matrices to yield superhard materials with tunable hardness values.

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