田原野，高丽丽，张 淼

(北华大学理学院，吉林 吉林 132013)

超硬材料具有较高的硬度、热导率、折射率和化学稳定性等优越性能，在工业中得到了广泛应用，包括研磨、涂料、切削和抛光工具[1-2].金刚石是世界上最著名的超硬材料，但其脆性、高温下易于与铁等发生化学反应、易在空气中氧化等缺点严重阻碍了其在工业上的应用.与金刚石相比，立方氮化硼(c-BN)具有更好的抗氧化性和优良的化学惰性.氮化硼(BN)因其广泛的工业应用而成为长期以来理论界和实验界广泛研究的课题.

与碳元素类似，氮化硼也有许多晶型，包含立方氮化硼(c-BN)[3-4]、六方氮化硼(h-BN)[5]、氮化硼纳米管[6]、氮化硼富勒烯[7]、氮化硼笼合物[8]等.在最近的十几年里，科学家们提出了许多具有优异电子性能和力学性能的硼氮化合物的更多晶体结构[9-13].例如O-BN[9]、P-BN[10]、bct-BN[12]、Z-BN[13]等，这些硼氮化合物晶体结构的提出是探索超硬材料的重要一步.

本研究中，我们将M-碳结构中的C原子替换为B原子和N原子，设计了三种超硬单斜硼氮化合物晶体结构(分别命名为Cm-BN-1、Cm-BN-2和Cm-BN-3).结果表明，Cm-BN-1和Cm-BN-2比Cm-BN-3在能量上更占优势且动力学稳定，它们为直接带隙半导体.此外，Cm-BN-1和Cm-BN-2体积模量分别为357.51和361.75 GPa，维氏硬度分别为58.0和60.4 GPa，它们有望成为潜在的超硬氮化硼材料.

1 计算方法

我们在局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)[14-15]中结合PAW赝势[16]使用密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)进行第一性原理计算.该理论已在VASP(Viennaabinitiosimulation package)软件包[17]中实现.对于B原子和N原子分别采用2s22p1和2s22p3价电子构型.为了保证计算的准确性，Cm-BN-1、Cm-BN-2和Cm-BN-3平面波截断能设为800 eV，Monkhorst-Packk点……