Hardness and superconductivity in tetragonal LiB4 and NaB4

四方晶系 超导电性 环境压力 材料科学 声子 维氏硬度试验 凝聚态物理 联轴节(管道) 晶体结构 结晶学 冶金 化学 热力学 物理 微观结构 有机化学
作者
Qianyi Wang,Honggang Li,Jiahui Wei,Ting Zhong,Li Zhu,Xinxin Zhang,Hanyu Liu,Shoutao Zhang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (23) 被引量:6
标识
DOI:10.1063/5.0180248
摘要

Boron-based compounds have triggered substantial attention due to their multifunctional properties, incorporating excellent hardness and superconductivity. While tetragonal metal borides LiB4 and NaB4 with BaAl4-type structure and striking clathrate boron motif have been induced under compression, there is still a lack of deep understanding of their potential properties at ambient pressure. We herein conduct a comprehensive study on I4/mmm-structured LiB4 and NaB4 under ambient pressure via first-principles calculations. Remarkably, both LiB4 and NaB4 are found to possess high Vickers hardness of 39 GPa, which is ascribed to the robust boron framework with strong covalency. Furthermore, their high hardness values together with distinguished stability make them highly potential superhard materials. Meanwhile, electron–phonon coupling analysis reveals that both LiB4 and NaB4 are conventional phonon-mediated superconductors, with critical temperatures of 6 and 8 K at 1 atmosphere pressure (atm), respectively, mainly arising from the coupling of B 2p electronic states and the low-frequency phonon modes associated with Li-, Na-, and B-derived vibrations. This work provides valuable insights into the mechanical and superconducting behaviors of metal borides and will boost further studies of emergent borides with multiple functionalities.
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