1、 高温高压下三种不同晶系材料的结构相变与物性的第一性原理研究重庆大学博士学位论文学生姓名：周 平指导教师：王新强 教 授专 业：凝聚态物理学科门类：理 学重庆大学物理学院二 O一四年四月First Principles Study on the Structural Phase Transitions and Physcial Properties of Three Materials with Different Lattice Systems under High Temperature and High Pressure Conditions.A Thesis Submitted to
2、Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDoctors Degree of ScienceByZhou PingSupervised by Prof. Wang XinqiangSpecialty：Condensed MatterPhysicsCollege of Physics of Chongqing University, Chongqing, China April 2014 中文摘要摘 要硫化镉（CdS）和氧化锌 （ZnO）都是在光电子领域具有广泛用途的半导体材料，而 B-C-N轻元素超
3、硬材料在当前材料加工领域，特 别是金刚石不能应用的一些金属加工领域有着广泛的应用前景。随着它们的应用范围和领域的不断拓展，使它们将面临高温高压的极端条件，因此，研究它们在极端条件下的物性，对全面认识这类材料的性质及其应用范围有着极其重要的意义。由于高温高压研究受实验条件的限制，研究范围往往是很有限的，因此，要认识更大范围的压力和温度条件下材料的性质，理论研究越来越成为不可或缺的重要手段。近年来，在密度泛函理论框架下，利用准谐振德拜模型，结合赝势和平面波基组的第一性原理方法，对高温高压下材料的相稳定、相转变以及各相的力学、热力学性质研究提供了有效手段。理论研究虽然也受到模型和计算方法及条件的制约
4、，但目前的已获得的结果和经验表明，我们依然可以由此获得较为准确的结果，从而较为可靠的预测材料性质，指导实验研究，减少实验盲目性，节省人物力资源。固体的对称性、原子构成及化学键的性质共同决定了材料的力学和热力学等各种性质。由于固体对称性的不同，不同晶系的固体材料会表现出不同的各向异性，如不同方向上的弹性模量、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率的不同等。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。本文研究的三种材料（CdS、 ZnO和 BC2N ）在常温常压下分属立方、六方和四方相结构，对其力学、热力学性质的各向异性的第一性原理研究具有一定的代表性和典型意
5、义。本文的主要研究内容和结果如下：（1）研究了 CdS在高温高 压下六方 WZ相和立方 ZB、RS相的结构稳定性、相变条件、热力学性质与电子结构。结果表明：CdS的立方 ZB 结构的焓比六方WZ结构约高 0.1eV ，WZ相比 ZB相更稳定，高压下 CdS从六方相到立方岩盐相的相变压强为 2.18GPa；CdS的热容 C v高温下受压强的影响不明显；热膨胀系数 在温度小于 300K时随温度升高增长明显，温度大于 300K后受温度影响减小，在压强小于 30GPa情况下，随温度的变化非常明显，压强的增大会明显抑制 CdS的热膨胀，而且计算表明 CdS的热膨胀系数没有体 现出各向异性，这正是立方晶系
6、的特征。（2）对比研究了同为-族的材料 ZnO的六方 WZ和立方 RS 结构的高温高压力学属性、热力学性质。结果表明，WZ结构的 ZnO在零温条件下在压强为I重庆大学博士学位论文8.83GPa时转变为立方 RS结构；六方 WZ结构的 ZnO表现出一定的各向异性，此外，我们还讨论了 ZnO的各向异性的内在机制。（3）对于立方相以外的晶系结构，我们对比研究了属于 P2221空间群的四方相晶体 BC2N 。对 BC 2N在高温高 压极端条件下的状 态方程、热容、沿晶轴各向线膨胀系数、德拜温度等性质进行了较为全面深入的理论研究计算，得到的基态晶体结构，体弹模量与实验结果符合很好，得出了该结构 BC2N
7、的 B-M 状态方程函数曲线和参数 B0、B 分别为 393GPa、3.72。给出了温度 03000K，压强 0200GPa范围的热容曲线和德拜温度曲线。计算了 BC2N沿晶轴 a、b、c方向的线膨胀系数，发现高温下各向热膨胀系数并不一致，a、b向一致，c向偏大，四方结构的 BC 2N表现出明显的各向异性。通过对晶体中的键布居、晶体结构的电荷密度差分以及键长随温度的变化关系计算，对比分析了热膨胀系数随温度增加各向不一致的原因。（4）引入了一种基于第一性原理计算方法获得高温各向异性材料的热膨胀系数的求解方法，计算固体材料的 P-V和 E-V关系，拟合 EOS 方程和不同方向的晶格常数函数，由拟合
8、晶格常数反推不同温度压强下的体积，从而预测计算高温高压下立方、六方和四方相固体材料的各向异性的热力学属性。本文较为系统的研究了分属三种不同晶系的材料在高温高压下的物性，重点研究了其结构的稳定性和相变，以及各向异性热膨胀的问题，获得了一些新的有价值的结果，这对全面认识这三种材料的高温高压物性，同时也对指导实验研究及其应用具有重要意义。关键词：相变，弹性性质，热力学性质，各向异性II英文摘要ABSTRACT Cadmium Sulfide (CdS) and Zinc Oxide (ZnO) are both semiconductor materialswith wide application
9、 in the field of optoelectronics. The light elements B-C-Nsuperhard material has a wide potential application in the material processing field,especially in the metal processing field where the diamond cannot be applied. With thecontinuous expansion of their application range, they will face the ext
10、reme conditions ofhigh temperature and high pressure. Therefore, it is extremely significant to investigatetheir properties under extreme conditions for understanding the properties and scope ofapplication of these types of materials. Because of the limitation of experimentalconditions in high tempe
11、rature and high pressure, the scope of the study is often verylimited. Thus, the theoretical research has increasingly become an importantlyindispensable way to understand the properties of these materials in a wider range ofpressure and temperature conditions.In recent years, under the density func
12、tional theory, the method of usingquasi-Debye model combined with first principles pseudopotential and plane wave basisset, provides an effective mean for investigating the material phase stability, phasetransition, mechanics and thermodynamic properties under high pressure and hightemperature. Alth
13、ogh the theoretical study is restricted by the model and the method andcondition of calculation, the obtained results and experience show that we still canobtain more accurate results, so as to predict the material properties, guide theexperimental research, reduce the experimental blindness and sav
14、e the people resources.Mechanical and thermodynamic properties of solid are dependent on theirsymmetry, atom structure and chemical bond property. Due to the different symmetry ,solid has an obvious anisotropy in different crystal structure, such as elastic modulus,thermal expansion coefficient of d
15、ifferent direction, thermal conductivity, resistivity,electric, electric polarization, magnetic susceptibility and refractive index are different.Anisotropy is one of the important characteristics of the crystal has very importantresearch value. In this work, the study of three kinds of materials (C
16、dS, ZnO and BC2N)belonging to the cubic, hexagonal and tetragonal structure, representatively, at roomtemperature and atmospheric pressure, has some representativeness and typicalsignificance for the first principles study of anisotropy on the mechanics andthermodynamic properties.III重庆大学博士学位论文The d
17、etailed work has been given in the following:(1) We have obtained phase stability, phase transition conditions, thermodynamicproperty and electronic structure for CdS with WZ, ZB and RS phase under highpressure and temperature. It turns out that the cubic ZB phase has a larger enthalpy thanthat of W
18、Z phase with value 0.1eV and thus the WZ phase is more stable. In highpressure the phase transition pressure is 2.18GPa for CdS from hexagonal to tetragonalphase. However, heat capacity is barely influenced by pressure under high temperature.The expansion coefficient increases very obviously with te
19、mperature under 300K butnearly stable with temperature increase to higher than 300K. In pressure lower than30GPa, expansion coefficient has a clear variation with temperature. The increase ofpressure prevents the variation of expansion coefficient. Moreover, in our calculation,we found that there is
20、 no asymmetry in expansion coefficient. This is just thecharacteristic of Cubic system.(2) Contrastive study has been carried for the mechanical and thermodynamicproperties of hexagonal WZ and cubic RS structure of II-VI material ZnO under highpressure and high temperature. The results show that the
21、 WZ-ZnO phase at 0 Ktemperature will change into cubic RS structure at the pressure of 8.83GPa, and thehexagonal WZ structure of ZnO exhibits some anisotropy. Moreover, we have discussedthe inherent mechanism of the ZnO anisotropy.(3) For the crystal systems beyond cubic phase, we have carried a con
22、trastive studyon the tetragonal crystal BC2N belonged to the space group of P2221. By theoreticalcalculation we have obtained the state equations, thermal capacity, linear expansioncoefficient along crystal axis, Debye temperature in BC2N under high temperature andpressure with P2221 structure. The
23、calculated results of crystal structure and bulkmodulus are in good agreement with experiment. Moreover, the B-M state equation hasbeen obtained with parameters B0 and B being 393GPa and 3.72. The curves ofthermal capacity and Debye temperature have been given in temperature range from 0to 3000K and
24、 pressure range from 0 to 200GPa. And we calculated the linear expansioncoefficients along a, b and c axis and found that in high temperature the coefficientsalong a and b are in agreement but in c axis it is larger. Obviously, the tetragonal BC2Nexhibits anisotropy. The reasons for this have been o
25、btained by calculating the bondpopulation, charge density in crystal structure and bond length with temperature.(4) By introducing a method for obtaining expansion coefficient under hightemperature in anisotropic material based on first principle, the P-V and E-V has beenIV英文摘要calculated in solids.
26、Crystal constant function has been obtained by fitting EOS equation,by which volume can be calculated. Moreover, anisotropic thermodynamic property hasbeen anticipated for cubic, hexagonal and tetragonal phase materials in high pressureand temperature.This paper systematically studies the properties
27、 of materils belonging to threedifferent lattice symmetry under high temperature and high pressure, focusing on thestructural stability and phase transition, and the problem of anisotropic thermalexpansion. We have obtained some valuable new results. These results have importantmeaning for understan
28、ding the physcial properties at high temperature and high pressureof the three kinds of materials, also for guiding the experimental work and theapplication of these materials.Keywords: phase transition, elastic property, thermodynamic property, anisotropy.V重庆大学博士学位论文VI目 录目 录中文摘要I英文摘要. III1绪论. 11.1高
29、压下的材料性质研究状况 . 11.2几种六方和立方相 IIVI族化合物的研究状况 21.2.1高温高压下 CdS的结构与性质的研究状况 21.2.2高温高压下 ZnO的结构与性 质的研究状况. 31.3四方相轻元素 BC2N超硬材料的研究状况 . 41.4本研究的内容与意义 . 51.5本研究的创新点 . 62理论基础. 72.1密度泛函理论 . 72.1.1 Born-Oppenheimer近似 . 72.1.2 Hartree-Fork近似 82.1.3 Self-consistentfield方法 . 102.1.4 ThomasFermi 方法. 102.1.5 Hohenberg-K
30、ohn定理 . 122.1.6 Kohn-Sham方程 132.1.7 Local Density近似 142.1.8 Generalized Gradient近似 152.2计算方法. 162.2.1全电子法 172.2.2正交化平面波方法 172.2.3赝势方法 192.2.4计算软件工具 202.3固体的结构与物性的描述方法 . 212.3.1物态方程 212.3.2固体相变 232.3.3晶体的弹性模量 242.3.4能量、压强和体积关系 282.3.5晶体的力学稳定性判据 282.3.6晶体热力学 28VII重庆大学博士学位论文2.3.7晶体电子结构 343高温高压下 CdS的结构和
31、力学、热力学性 质. 373.1前言. 373.2计算方法. 383.3结果与讨论. 383.3.1交换关联函数选择 383.3.2 WZ、ZB和 RS相 CdS的结构与相变. 413.3.3 WZ和 RS结构 CdS的电 子性质 453.3.4 WZ和 RS结构 CdS的力学性 质 483.3.5 WZ和 RS结构 CdS的热 力学性质 493.4本章小结. 534高温高压下 ZnO的结构和力学、热力学性质 554.1前言. 554.2计算方法. 564.3结果与讨论. 564.3.1交换关联函数选择 564.3.2 WZ和 RS相 ZnO的结构与相变 584.3.3 WZ结构 ZnO电子性
32、质 644.3.4 WZ结构 ZnO力学性质 664.3.5 WZ结构 ZnO热力学性质. 684.4本章小结. 695高温高压下 BC2N的结构和力学、热力学性 质 715.1前言. 715.2计算方法. 725.3结果与讨论. 735.3.1交换关联函数选择 735.3.2 BC2N的热力学性质 755.4本章小结. 816总结与展望 83致 谢 87参考文献 89录 105附A攻读博士学位期间发表的学 术论文 . 105B攻读博士学位期间参加的科研 项目 . 106VIII1绪 论1 绪论本文以当前应用比较广泛的、处于研究热点的几种半导体和新型超硬材料为实例，对高温高压下立方、六方和四方
33、晶系的结构与相变、力学与热力学属性以及各晶系的各向异性的热力学性质进行了综合研究。1.1高压下的材料性质研究状况高压常常在天体内部等自然条件和爆炸等特殊环境中存在，材料研究工作中也在实验室的小范围环境下,以一些特殊方式得以实现，比如常用的金刚石对顶砧，或在材料加工、应用中局部形成的内部高压应力环境等。以静态压力为一个连续可变参数作用于固体材料，是研究固体材料相关力学、热力学性质或通过原子间距变化得到材料结构特性函数的一个重要手段。在外加压力下，原子的排列会发生突然变化 结构相变。压力作用下不断压缩的原子的排布方式和吉布斯自由能的改变成为材料结构变化和原子排列变化的有用工具。如果晶体材料出现体积
34、不连续的变化，或者体积连续但结构对称性、原子键等内在因素出现巨大变化，相变必然发生，因此固体材料高压状况下的性质和常规条件下是极其不同的。对压力诱导相变的研究在过去的几十年中已成为一个迅速扩大的领域1。近年来，由于实验高压技术的发展，人们对高压相变的认识和研究有了相当大的发展。压力导致的材料性质转变，通常都与其电阻率的急剧变化相关，事实上最早的大量报道的是从电阻率测量进行研究的结果2, 3 。这些材料的高压相的系统结构的研究开始于 20世纪 60年代早期，由 Jamieson对 Si和 Ge 4以及部分 IIIAVA化合物5的研究，和 Mariano 和 Warekois6，Rooymans7
35、，和 Owen8等人对 IIB-VIA化合物的研究等。20世纪 80年代末，形成了基本认同的结论，随着压强的增加，固体材料将变为高配位数的高对称结构。然而，最近的实验表明，先前意想不到的低对称相也可在加压或释压的过度时期存在或形成。在过去的十年里，金刚石对顶砧(DAC)技术、同步辐射源 X 射线衍射等成为研究材料高压下结构性质的标准实验技术9, 10。基于这些方法，我们获得了更多的高压下材料的精确结构信息。随着计算机技术的发展，计算能力和方法的巨大的改进，基于密度泛函理论的从头计算程序包，拓展了人们的理论预测能力，人们能够以较少的代价理解更复杂系统中的压力诱导相变的机制。就目前已有的理论和实验
36、研究发现，很多半导体等固体材料都有丰富的结构1重庆大学博士学位论文相，受压力和温度的变化影响，具有很多不同的稳定相阶段与变化状况，这是早期人们认识所不知道的。最近的高压实验表明，即使简单到如硅和锗这样的半导体材料都有一些新的和意想不到的在高压结构1, 11 。对材料高压高温相的稳定性计算的标准方法通常是从不同压力下体系的能量压力（E-P）关系1入手，但 仅仅使用这样的方法，所研究的晶体结构是否一定稳定也是不能完全确定的。给定晶体结构相是否稳定，有三个的稳定条件 12 ，必须同时满足：一是，晶格不受力，即在每个原子的总力为零；二是晶格具有抵抗宏观形变的能力，如压缩、拉伸和剪切作用下的稳定性 12
37、 ，即具有力学稳定性；三是，晶格反对任何微小的位移是稳定的，即具有动力学稳定性。三个条件必须同时满足，声子不能有虚频 13 ，这意味着晶体原子具有对任何位移有恢复力使原子回到平衡的能力。著名的结构相变的软模理论，就是基于在当我们改变外部因素（如温度、压力、电场或磁场等），晶体使某些特定声子频率接近零，由此就会导致晶体的不稳定，转变到一个新的晶体结构。1.2几种六方和立方相 IIVI 族化合物的研究状况1.2.1高温高压下 CdS的结构与性质的研究状况硫化镉（CdS）是一种 N型光电导半导体材料，与 ZnO同属-族化合物半导体，属六方晶格结构，晶格常数 5.86 ，熔点 1750 ，禁带宽度 2
38、.41电子伏，电子和空穴的迁移率分别为 210-2和 210 -3米 2/伏秒，相对介电常数 11.6。硫化镉普遍存在于闪锌矿和纤锌矿中。CdS在常压和低于 2GPa的压强状态是六方相，在高于 2GPa压强条件下变换到14间接带隙半导体的 NaCl相6, 15 。有两个报告进一步说明 CdS的一个额外相变在约 50 GPa压强条件下发生，从岩盐相向正交晶相 转变（CdS-），这个相有点像形状扭曲的的 NaCl结构。同时 CdS的类似低温 KCN的结构空间群 Pmmn16和 Cmcm10 也都被提出过。CdS在传感器、发光器件、光学集成和 储存器件等 领域有着重要的应用前景，引起了许多研究者的关
39、注。不少研究者对 CdS的光学、 电磁学及催化性质等进行了广泛的研究，如纳米 CdS的液相合成17, 18池中的应用19，电化学催化性能测试20，表面修饰纳米晶的性能21运22，光生电荷性质23 与电学性质24 ，功能性纳米荧光探针25与光学性质26-29 ，掺杂的电子结构和光学性质30，硫化镉薄膜的制备及其在太阳能电，薄膜的电输，纳米微粒的制备都分别进行了研究。CdS具有独特的光电化学性能，能广泛 应用于光化学 电池和储能器件，在光致发光、电致发光、太阳能电池、传感器、红外窗口材料、光催化等许多领域有重要的应用潜质31-37 。从现有的文献看，国内外已开展了大量有关 CdS光、电、21绪 论
40、磁以及催化性质的理论与实验研究31, 33, 38-42，但是 CdS的相稳定性、弹性性质以及热力学性质的研究却不多见。部分文献提到 CdS除 WZ相外，还存在着立方闪锌矿(zinc-blende structure ，ZB) 结构和面心立方岩 盐矿(rocksalt structure，RS)结构43-45。实验证 明，WZ 相和 RS相可以在一定的压力条件下稳定存在，而 ZB 相的研究还大多为理论模拟研究水平，还没有明确的实验报道 ZB 相真实存在的压强条件。J. J. Tan等使用第一性原理和 Castep软件包从理论上分别计算了 CdS的WZRS和 ZBRS相变 条件为 2.60 GP
41、a和 2.57 GPa 44；J.Osugi、Drickamer、Benkhetto和 A. Corll等分 别通过不同实验方法测得 CdS从 WZRS 相变的压强条件为 2.25 GPa45、2.75 GPa14, 46、2.3 GPa47 和 2.5 GPa48。可以看出，大多理论研究只讨论 CdS单一的 ZBRS相变或单一的 WZRS相变，几乎没有文献同时讨论三个相稳定条件44。而实验工作大多研究 WZRS相变，没有实验报导 ZB 相存在的压力条件14, 45, 46。在高压条件下，WZ 、ZB和 RS之间存在高压诱导相变44,45，而相变必然导致体积以及物理化学性能的改变，这些变化极大
42、程度上影响着CdS在各个领域的应用，因此有必要深刻 认识 CdS相稳定的压强条件以及相应压强条件下的力学特性。1.2.2高温高压下 ZnO的结构与性质的研究状况氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体，常温带隙约 3.3eV，是取代 GaN成为做紫外光 LD 和 LED 的潜在前景材料。在光 电子领域有重要 应用。ZnO晶体主要有两种结构：六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构49 。常温常压下纤锌矿结构最稳定，因此最为常见。通过在立方晶格结构的基质上生长氧化锌的方法可以获得立方闪锌矿结构的氧化锌。两种情况下，每个锌原子或氧原子都可以与相邻的原子组成以其为中心的四面体结构，这是二价锌化合物最典型的几何结构。
43、除了纤锌矿和闪锌矿的结构，氧化锌能在 100GPa的高压下形成八面体的立方 RS结构50 。六方的纤锌矿和立方的闪锌矿结构都有中心对称性但都没有轴对称性，晶体的对称性使得纤锌矿结构和闪锌矿结构都有压电效应，纤锌矿结构的氧化锌有焦热电效应。纤锌矿结构 ZnO的空间群是 P63mc。晶胞参数 a=3.25 ，c=5.2 ，c /a约为1.60，接近 1.633的理想六方晶胞比例51 。在大部分由第二和第六族元素组成的半导体材料中，Zn和 O之间以离子键结合（Zn2+O2），相对应的 Zn 离子和 O离子半径分别为 0.074nm和 0.140nm，这解释了 ZnO倾向于形成纤锌矿结构而非闪锌矿结构
44、52，也解释了 ZnO压电效应起源。1962年 Bates等人报道53了 ZnO 在约 10GPa压强下会从纤锌矿相向高温高压的 NaCl相转变，这个结果后被 Jamieson54 和 Yu等人55确认，并将相变压强修改为 8.0（3）GPa。Decremps等人56室温下通过 EDX研究这种相变是发生在 9.8GPa ，3重庆大学博士学位论文尽管其发现有滞后性，但是却发现了这个相变过程的可逆性。其他人的一些研究报道53, 57, 58 又认为 ZnO 的岩盐相可以在不加压的情况下保持较长的时间。后来，陆续的关于 ZnO从纤锌矿相到岩盐相的变化被的实验报道59-61。目前 ZnO的实验所能达到
45、的高压（56GPa）下，ZnO的岩盐相都能够稳定存在61。ZnO的高压结构变化现象也激发起理论研究的开展57, 62, 63，这些理论研究结果也证实 ZnO岩盐结构相在高压下的稳定性。ZnO具有 优越的光电性质，有深远的应用前景，激发起研究者对它极大研究热情。光学属性如折射率等等在近几十年里被广泛的研究 64-68得 ZnO 材料的原子振动性质。ZnO材料的生长方法，如化学气相传输69。通过拉曼散射获，气相生长的水热生长70, 71通常使用。数十年来 ZnO的研究热情是起伏不定，最近 ZnO的研究又开始集中在掺杂 ZnO获得 n或 p型 ZnO，成为现在的一个研究前沿，为了实现 ZnO 在短波
46、长的光电器件的潜在应用开发，高质量的 n型和 p型 ZnO是必不可少的，然而，通过掺杂获得 p型 ZnO的宽带隙半导体非常困难。先进的 ZnO生成方法正在探索和开发，如在 p-n异质结构可以通过沉积在 p型材料的 n型 ZnO薄膜的异质外延得到（如硅72，NiO73，GaN 74, 75，AlGaN 76，SiC77 等）。在过去几年时间里，大量的研究集中在电子性质、弹性和光学以及晶格动力学性质等方面78-80力学性质等却少有报道。最近，由 Seko等人研究了纤锌和岩盐相 ZnO在有限温度和环境压力的结构和热力学性质77。在 2006年，Su77, 81，对涉及材料基础应用的高压高温下的结构、
47、相变、力学、热等人用第一性晶格动力学和准谐振德拜模型近似，结合原子对有效势模型，得出了 ZnO高压相 RS结构的热力学属性。值得一提的是，正确的描述热力学性质，如热容量，是研发高质量技术设备和器件的关键。因此，这些特性的精确知识的扩展范围的压力和温度对该化合物的应用是非常有用的。近年来的主要研究工作目标是在密度泛函理论框架下，结合赝势和平面波基组研究 ZnO的立方 RS相和六方 WZ 相的结构和热力学性质。基于早已获得的 ZnO基态性质，本文工作主要计算研究晶格常数，体弹模量，和体弹性模量的压力导数以及高压下平衡态的热力学性质等，与现有的实验和理论值吻合良好。1.3四方相轻元素 BC2N 超硬
48、材料的研究状况超硬材料是科学研究与工业应用领域的重要功能材料，一直是新型功能材料研究的热点。金刚石是硬度最高的天然超硬材料，但金刚石高温容易氧化，能与铁、镍等金属发生化学反应，其应用受到了一定限制。因此，各国材料研究人员正不断探索，寻找能够替代金刚石的新型超硬材料。41绪 论以立方氮化硼(c -BN)为例， c-BN近年人工合成的典型抗氧化高硬度材料82-84 。金刚石和 c-BN 物理特性及结构非常相似，人们预测具有闪锌矿结构的立方 B-C-N化合物极有可能具有高硬度的特性，并且兼备 c-BN高温抗氧化的能力。近年来关于立方相 B-C-N材料合成 85-89以及理论计算 90-94的报道逐渐被关注，V.L.Solozhenko等和 Zhao等人的研究工作分 别报道了立方 BC2N的合成，并且发现其硬度仅次于金刚石88, 89；H. Sun等人的理论计算则显示 BC2N 具有比 c-BN 更高的体积模量和切变弹性模量94 。H. Sun94对 BC 2N(晶胞中包含 8个原子)的 7种不等价 结构进行了理论研究。研究表明，空间群为 P2221的 BC 2N体系能量最低， 这种结构极有可能就是 Zhao等人通过实验89合成的稳定高密度相。BC2N晶胞包含一个 N 原
