燕大在富硼导电陶瓷研究中取得重要进展

燕山大学高压科学中心田永君院士团队与国内外研究人员通力合作，通过高温高压熔融法，成功合成由不互溶元素铜和硼组成的新型陶瓷材料。相关成果以“硬且特别导电的铜硼化合物”为题发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.136301。

金属硼化物是一类具有强耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、高硬度的多功能陶瓷材料，在化工、医药、冶金、国防等部门广泛使用。尽管硼在高温下能与绝大多数金属反应，但未见关于IB族(铜、银、金)金属硼化物的报道。铜(Cu)和硼(B)作为不互溶元素的代表，只有少数关于铜-硼固溶体的报道，例如CuB~₂₃和CuB~₂₈，源于硼和这些金属具有相近的电负性和较大差别的原子半径，两者之间电荷转移困难，不能形成具有精确化学计量比的化合物。直至2021年，周向锋、徐波等人通过分子束外延生长技术(MBE)首次成功合成二维铜硼化合物Cu₈B₁₄[Fundam. Res. 1, 482 (2021)]，证实铜原子与硼原子在极端条件下可以形成化学键。受此启发，周向锋、徐波、田永君等在高温高压下合成并表征了新型三维铜硼化合物Cu₁.₉₇B₂₅，发现它是一个既硬又导电的新陶瓷材料。其测量的维氏硬度~27 GPa，室温电导率可达10⁵S/m，在所有以B₁₂二十面体为结构基元的硼化物中电导率最高。不仅如此，Cu₁.₉₇B₂₅在低温常压下，或低温高压下，发生金属-绝缘体转变。且在30 GPa左右，发生导电类型转变 (p-n转变)，实验证明这些现象均源于电子相变，和结构相变无关。因此，新型铜硼化合物不仅在常压下具有优异的物理性质，并且在极端条件下表现出丰富的量子行为。鉴于它优异的导电性和三维硼网格本征的低热导率，该材料可能在热电转化领域具有重要应用前景。

该工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目、国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目资助，其成果已申请发明专利。论文共同第一作者为燕山大学理学院博士生黄明星和材料科学与工程学院范长增，通讯作者为周向锋和田永君。