超硬材料的合成及其性质的研究,一直是凝聚态物理和材料科学研究的重要方向之一。而作为一种潜在的新型超硬材料,诸多理论计算和实验研究表明,立方硼碳氮(c-BCN)的性质与金刚石和立方氮化硼(c-BN)相似,但却具有比金刚石更高的抗氧化能力和比c-BN更高的硬度,可以作为优质切削工具、耐磨损材料、耐腐蚀保护层、短波长光电器件材料等。正是基于硼碳氮化合物的广阔应用前景,科学家们对硼碳氮化合物的合成进行了广泛和深入的研究,并取得了卓有成效的进展。 在超硬材料研究领域,BC2N的研究是一个前沿课题。实践表明,BC2N的合成仍然是困难的,除了传统的高温高压技术外,低温低压、低成本合成BC2N更是一个挑战性课题。寻找一种温和条件下实验设备简单、化学上易控制和可操作性强的方法来制备硼碳氮材料无疑具有较高的研究价值。
最近,燕山大学高发明教授领导的课题组采用一种简单且易于操作的溶剂热合成方法,通过控制实验条件在温和的反应条件下获得了含有微量氧缺陷的β-BC2N纳米棒结构。该方法避免了常规固相反应制备硼碳氮材料需要的高温高压等极端条件,不仅使反应温度降低到了500℃左右,而且所获得的产品形貌好,晶化质量高。通过第一性原理理论计算,他们还模拟并给出了此硼碳氮化合物可能的结构和特性,指出该产物是一种很好的半导体材料,硬度约为80GPa,仅次于金刚石。这是三元硼碳氮超硬材料合成领域中首次采用低温低压的方法成功制备单晶纳米结构,该项工作开启了温和制备其它硼碳氮化合物的新的途径,相关结果已发表在著名杂志《晶体生长与设计》 (Crystal Growth & Design) 上。