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立方氮化硼单晶在Li3N-BN体系中的转变机制：电子能量损失谱分析

作者及机构
本研究由Meizhe Lv（山东大学材料科学与工程学院）、Bin Xu（通讯作者，山东建筑大学材料科学与工程学院）、Xiaofei Guo（山东建筑大学）、Lichao Cai（山东大学）和Xingdong Yuan（山东建筑大学）合作完成，发表于2019年的《Materials Letters》期刊（卷242，页码75-78）。

学术背景
立方氮化硼（c-BN）因其超高硬度、高热导率和宽禁带特性，在磨料、保护涂层和微电子器件领域具有重要应用。工业上通常以六方氮化硼（h-BN）为原料、Li3N为催化剂，通过高温高压（HPHT）法合成c-BN单晶。然而，现有c-BN单晶的质量难以满足工业需求，其转变机制尚不明确，制约了材料的进一步开发。本研究通过电子能量损失谱（EELS）分析c-BN单晶生长界面层的sp2/sp3杂化比例变化，揭示h-BN向c-BN的直接转变机制，并探讨Li3BN2的催化作用。

研究流程
1. 样品制备
- 实验采用高有序度h-BN（纯度≥98%）和Li3N催化剂，在6×25 MN立方压腔装置中于1623 K、4.5 GPa下反应10分钟，随后淬火。
- 从同一c-BN块体上分别采集距离单晶10 μm（内层）、20 μm（中层）和30 μm（外层）的界面粉末样品。

1. EELS分析

   • 使用JEOL JEM-2010F型高分辨透射电镜（HRTEM）在衍射模式下测试，参数为：能量分辨率1.4 eV，收集角14.77 mrad，通道宽度0.2 eV。
     
   • 通过傅里叶反卷积和背景扣除处理硼K边能量损失谱，采用“双窗强度比法”计算sp3杂化比例：选取π*峰（180–185 eV）和σ*峰（188–203 eV）的积分面积比，根据公式（3x/(4−x)）定量sp2键含量（x）。
     

2. 相结构表征

   • X射线衍射（XRD）和选区衍射（SAD）确认界面粉末的主要相为c-BN、h-BN微晶和Li3BN2。HRTEM观察h-BN的缺陷演变及非晶BN中c-BN纳米晶的成核现象。
     

主要结果
1. sp3杂化梯度分布
- EELS显示：外层、中层、内层的sp3键含量分别为10.36%、11.55%和16.67%，表明从界面外层到内层，sp2→sp3杂化比例逐渐升高。π*峰强度递减和σ*峰展宽进一步佐证了这一趋势（图1）。

1. 界面相组成

   • XRD和HRTEM证实界面存在c-BN（（111）、（220）衍射环）、h-BN（[001]晶带轴）及Li3BN2（图2）。非晶BN区域中发现的纳米晶（图3d）可能是c-BN的成核位点。
     

2. Li3BN2催化机制

   • Li3BN2中的线性（NBN）3−离子侵入h-BN层间，削弱范德华力，导致sp2层滑移或断裂（图3b）。高温下Li离子嵌入层间，促使B/N原子沿基面振动，引发六方相向立方相的晶格对称性转变（图3d）。
     

结论与意义
本研究通过EELS定量揭示了c-BN生长界面中sp3键含量的梯度变化，证实h-BN可直接转变为c-BN，且Li3BN2通过破坏h-BN层间键和诱导原子重排发挥催化作用。该发现为优化HPHT合成工艺提供了理论依据，对开发高质量c-BN单晶具有重要科学价值。

研究亮点
1. 首次通过EELS定量分析c-BN界面层的sp2/sp3杂化空间分布，揭示了转变的连续性。
2. 提出Li3BN2催化作用的原子尺度机制，明确了（NBN）3−离子和Li离子的协同效应。
3. HRTEM观察到非晶BN中c-BN纳米晶的成核现象，为“非晶中介转变”假说提供了实验证据。

其他价值
研究采用的“双窗强度比法”可推广至其他sp2/sp3杂化材料的定量分析，而界面梯度设计思路对调控陶瓷-金属复合材料的界面性能具有借鉴意义。

（注：实际生成内容约为1500字，此处为示例框架，完整报告需进一步扩展实验细节和数据分析。）