Jagdish Narayan 和 Anagh Bhaumik 来自美国北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系的研究团队，于2016年2月3日在期刊 *APL Materials*（第4卷，020701）发表了一项突破性研究，题为《Research Update: Direct conversion of h-BN into pure c-BN at ambient temperatures and pressures in air》。该研究通过纳秒激光熔化技术，首次在常温和常压空气中实现了六方氮化硼（h-BN）向立方氮化硼（c-BN）的直接转化，颠覆了传统高压高温合成的理论限制。
学术背景
氮化硼（BN）存在四种晶型，其中h-BN（六方氮化硼）和c-BN（立方氮化硼）因结构与性能分别类似石墨和金刚石而备受关注。c-BN具有超高硬度（约7500 kg/mm²）、高热导率（12 W/cm·K）和低摩擦系数（<0.1），且在高温下抗氧化性优于金刚石，是理想的切削工具和固态器件材料。然而，传统c-BN合成需依赖高温高压（如3500 K/9.5 GPa的hBN-cBN-液相三相点条件），且化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）法仅能获得部分c-BN（最高85%纯度）。本研究旨在开发一种低成本、高效率的常压常温合成方法。
研究流程与实验方法
材料制备
- h-BN薄膜沉积：使用ArF激光分子束外延（激光MBE）在蓝宝石、玻璃和聚合物基底上沉积纳米晶h-BN薄膜（晶粒尺寸约25 nm），真空条件为3×10⁻⁸ Torr，激光能量密度3.0 J/cm²。
- 激光转化：采用纳秒脉冲ArF激光（波长193 nm）照射h-BN薄膜，能量密度0.3–1.0 J/cm²，通过超冷态（super undercooled state）将hBN-cBN-液相三相点从3500 K/9.5 GPa降至2800 K/0.1 MPa（常压），形成亚稳态的“Q-BN”中间相。
表征技术
- 结构分析：高分辨扫描电镜（SEM）观察纳米/微米c-BN晶体的形貌（图2-3）；电子背散射衍射（EBSD）确定晶体取向（图4），分辨率达10 nm。
- 光谱学：共聚焦拉曼光谱（532 nm激发）检测h-BN（1370 cm⁻¹峰）和c-BN的特征峰（如TO(γ) 1066 cm⁻¹和LO(γ) 1311 cm⁻¹，表II）。
- 原子尺度表征：透射电镜（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS）分析c-BN的⟨110⟩晶面（图6a）及Q-BN的非晶-纳米晶混合结构（图6b），EELS确认B K-edge（198.25 eV）和N K-edge（408 eV）的键合特征。
理论模拟
使用SLIM计算机代码模拟超冷态热力学过程，预测三相点偏移至2800 K/常压的条件，并通过成核生长动力学解释c-BN的形成机制。
主要结果
- 相变验证：拉曼光谱和EBSD证实h-BN完全转化为纯c-BN（图5），无w-BN（216 eV峰缺失）或h-BN残留（192 eV峰消失）。
- 形貌调控：通过调节激光参数，获得c-BN纳米点、微晶薄膜（图2b-d）、纳米/微米针（长度达3 μm，图3a）及大面积单晶薄膜（图3c）。
- 生长机制：超冷液态BN通过界面不稳定性形成周期性纳米结构（~90 nm），随后聚结为微米针（图3b），生长速度估算为5–10 m/s。
- 外延模板效应：蓝宝石基底促进c-BN的⟨111⟩面外延生长（图2d），域匹配外延（domain matching epitaxy）降低晶格失配。
结论与价值
- 科学意义：揭示了超冷态调控相变路径的新机制，挑战了Corrigan-Bundy相图的传统认知（曲线1），支持Solozhenko修正相图（曲线2）中c-BN在0–1600 K的稳定性，并扩展了超冷条件下的三相点（曲线3）。
- 技术突破：常压常温合成大幅降低c-BN生产成本，为工业化应用（如切削涂层、高功率器件）提供可能。
- 交叉应用：Q-BN的场发射、硬度和光学性能（类比Q-碳）为新型功能材料开发开辟方向。
研究亮点
- 创新方法：首次利用纳秒激光实现h-BN→c-BN的常压转化，无需高压设备。
- 多尺度调控：通过激光参数精确控制c-BN的形貌（从纳米点到单晶薄膜）。
- 跨学科工具：结合SLIM模拟、EELS键合分析与原位表征技术，建立“超冷态-成核-生长”的全链条理论模型。
其他价值
研究团队还初步验证了c-BN/金刚石异质结构的制备（未展示数据），未来可能推动宽禁带半导体器件的集成创新。该工作获美国国家科学基金会资助，技术细节已申请专利（62/245,018和62/202,202）。