Yogesh Vohra, Ph.D., använder kemisk ångdeposition i mikrovågsplasma för att skapa tunna kristallfilmer av aldrig tidigare skådade material. Denna ansträngning söker material som närmar sig en diamant i hårdhet och kan överleva extrema tryck, temperatur och korrosiva miljöer. Sökandet efter nya material motiveras av önskan att övervinna begränsningar hos diamant, som tenderar att oxidera vid temperaturer högre än 600 grader Celsius och även reagerar kemiskt med järnmetaller.

Vohra, en professor och universitetsforskare vid University of Alabama i Birmingham Department of Physics, rapporterar nu, i journalen Vetenskapliga rapporter , syntes av ett nytt borrikt borkarbidmaterial. Den här filmen, odlas på en 1-tums oblat av kisel, är kemiskt stabil, har 37 procent hårdhet av kubisk diamant och fungerar som en isolator.

Lika viktigt, experimentell testning av det nya materialet – inklusive röntgendiffraktion och mätning av materialets hårdhet och Youngs modul – överensstämmer nära med förutspådda värden beräknade av UAB-teamet av forskare under ledning av Cheng-Chien Chen, Ph.D., biträdande professor i fysik vid UAB. De förutsagda värdena kommer från första principsanalys, som använder superdatordrivna densitetsfunktionella teoriberäkningar av positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner. Således, Vohra, Chen och kollegor har båda gjort en ny bor-kol-förening och har visat förutsägbarheten hos första principanalys för att förutsäga egenskaperna hos dessa material.

Det nya materialet har den kemiska formeln B50C2, vilket betyder 50 atomer bor och två atomer kol i varje underenhet av kristallstrukturen. Den avgörande frågan är var de två kolatomerna är placerade i varje kristallsubenhet; införande av kol på andra platser leder till material som är instabila och metalliska. Den exakta placeringen av kol uppnås genom varierande tillväxtförhållanden.

Det nuvarande B50C2-materialet odlades i ett mikrovågsplasma kemiskt ångavsättningssystem med väte som bärgas och diboran - 90 procent vätgas, 10 procent B2H6 och delar per miljon kol – som den reaktiva gasen. Prover odlades vid ett lågt tryck motsvarande atmosfärstrycket 15 miles över jorden. Substrattemperaturen var cirka 750 grader Celsius.

"Syntes av borrika borkarbidmaterial genom kemiska ångavsättningsmetoder fortsätter att vara relativt outforskat och en utmanande strävan, ", sade Vohra. "Utmaningen är att hitta den korrekta uppsättningen av förhållanden som är gynnsamma för tillväxt i den önskade fasen."

"Våra nuvarande studier ger validering av densitetens funktionella teori för att förutsäga stabil kristallstruktur och tillhandahålla en metastabil syntesväg för borrika borkarbidmaterial för applikationer under extrema tryckförhållanden, temperatur och korrosiva miljöer."

Medförfattare med Vohra och Chen för tidningen, "Första principerna förutsägelser och syntes av B50C2 genom kemisk ångavsättning, " är Paul A. Baker, Wei-Chih Chen och Shane A. Catledge, UAB Institutionen för fysik.