Yogesh Vohra, doctoraat, gebruikt microgolf-plasma chemische dampafzetting om dunne kristalfilms van nooit eerder vertoonde materialen te creëren. Deze inspanning zoekt naar materialen die een diamant in hardheid benaderen en extreme druk kunnen overleven, temperatuur en corrosieve omgevingen. De zoektocht naar nieuwe materialen wordt gemotiveerd door de wens om de beperkingen van diamant te overwinnen, die de neiging heeft te oxideren bij temperaturen hoger dan 600 graden Celsius en ook chemisch reageert met ferrometalen.

Vohra, een professor en universitair wetenschapper aan de Universiteit van Alabama in Birmingham Department of Physics, meldt nu, in het journaal Wetenschappelijke rapporten , synthese van een nieuw boorrijk boorcarbidemateriaal. Deze film, gekweekt op een 1-inch plak silicium, is chemisch stabiel, heeft 37 procent de hardheid van kubieke diamant en werkt als een isolator.

Even belangrijk, experimentele tests van het nieuwe materiaal - inclusief röntgendiffractie en meting van de hardheid van het materiaal en de Young's modulus - komen nauw overeen met de voorspelde waarden berekend door het UAB-team van onderzoekers onder leiding van Cheng-Chien Chen, doctoraat, assistent-professor natuurkunde aan de UAB. De voorspelde waarden komen uit de eerste-principeanalyse, die gebruikmaakt van supercomputergestuurde dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen van positief geladen kernen en negatief geladen elektronen. Dus, Vohra, Chen en collega's hebben allebei een nieuwe boor-koolstofverbinding gemaakt en hebben de voorspellende kracht van de analyse van de eerste principes aangetoond om de eigenschappen van deze materialen te voorspellen.

Het nieuwe materiaal heeft de chemische formule B50C2, wat betekent 50 atomen boor en twee atomen koolstof in elke subeenheid van de kristalstructuur. Het cruciale probleem is waar de twee koolstofatomen in elke kristalsubeenheid worden geplaatst; het inbrengen van de koolstof op andere plaatsen leidt tot materialen die onstabiel en metaalachtig zijn. De precieze plaatsing van koolstoffen wordt bereikt door variërende groeiomstandigheden.

Het huidige B50C2-materiaal werd gekweekt in een microgolfplasmasysteem voor chemische dampafzetting met waterstof als dragergas en diboraan - 90 procent waterstofgas, 10 procent B2H6 en delen per miljoen koolstof - als het reactieve gas. Monsters werden gekweekt bij een lage druk gelijk aan de atmosferische druk 15 mijl boven de aarde. De substraattemperatuur was ongeveer 750 graden Celsius.

"De synthese van boor-rijke boor-carbidematerialen door middel van chemische dampafzettingsmethoden blijft relatief onontgonnen en een uitdagende onderneming, "Zei Vohra. "De uitdaging is om de juiste set voorwaarden te vinden die gunstig zijn voor de groei van de gewenste fase."

"Onze huidige studies bieden validatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie bij het voorspellen van een stabiele kristalstructuur en het bieden van een metastabiele syntheseroute voor boorrijk boorcarbidemateriaal voor toepassingen onder extreme drukomstandigheden, temperatuur en corrosieve omgevingen."

Co-auteurs met Vohra en Chen voor het papier, "Eerste principes voorspellingen en synthese van B50C2 door chemische dampafzetting, " zijn Paul A. Baker, Wei-Chih Chen en Shane A. Catledge, UAB-afdeling Natuurkunde.