【摘 要】
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贵金属硼化物是一类具有强耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、高硬度的多功能材料,关于贵金属硼化物的研究较为深刻和广泛.碱金属硼化物,作为潜在的新型电池负极材料、储氢或超
【机 构】
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燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,秦皇岛066004;南开大学物理科学学院,天津300071
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贵金属硼化物是一类具有强耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、高硬度的多功能材料,关于贵金属硼化物的研究较为深刻和广泛.碱金属硼化物,作为潜在的新型电池负极材料、储氢或超导材料等也颇受关注.该类化合物的典型代表,钠硼化合物Na2B30或Na2B29早在1969年就被合成,迄今近50年,然而有关它的基态晶体结构和电子性质还存在争议.基于进化算法结构预测软件USPEX的变组分模块,意外发现实验合成的Imma-Na2B30并不是基态结构,而是另一个正交相I212121-Na2B30,两者皆由Na原子,B12团簇和填隙B原子构成.与Imma-Na2B30的三角形填隙硼单元不同,I212121-Na2B30的填隙B原子形成螺旋状硼链.如此细小的结构差别导致XRD或HRTEM很难区分,因为I212121-Na2B30和Imma-Na2B30具有非常接近的晶格常数.有意思的是,细小的结构差别竟然产生完全不同的电子性质.一直以来Imma-Na2B30被视为金属性材料,第一性原理计算发现Imma-Na2B30是拓扑节线半金属.基于紧束缚模型的WannierTools软件显示第一布里渊区有两个正交的nodal rings分别位于kxkz和kykz平面内,受时间-空间反演保护,具有潜在的优越输运性质.与之对比,I212121-Na2B30是具有1.6 eV带隙的间接半导体,根据微观硬度模型,理论Vickers硬度约为37.4GPa,接近超硬材料(＞ 40GPa).此外,I212121-Na2B30的三维硼网格具有开放式骨架结构,Na原子位于沿[010]晶向的特殊通道中,若I212121-Na2B30被实验合成,通过退火蒸发Na原子的办法,有望获得新型亚稳单质硼(B60).
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