CN113380457A - 一种硼氮基超导材料及其制备方法 - Google Patents

一种硼氮基超导材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硼氮基超导材料及其制备方法，该硼氮基超导材料的制备方法，包括以下步骤：提供氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体；对氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理使其金属化即得硼氮基超导材料。本发明的硼氮基超导材料，以氮化硼粉末和M元素的粉末或气体作为原料，在密闭条件下进行加压压制处理使原料金属化，获得硼氮基超导材料，其分子式为M2(BN)6，是一种具有三元金属特性的超导材料体系，为超导材料的选择及其应用提供了更大的空间。

Description

一种硼氮基超导材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超导材料技术领域，尤其涉及一种硼氮基超导材料及其制备方法。
背景技术
超导材料因其在一定温度下电阻会消失的特性，在能源、信息电子和量子器件等领域都有着重要的作用。目前的超导材料大致可以分为传统超导体、铜基超导体、铁基超导体、界面超导体、氢基超导体、碳基超导体和硼氮基超导体等，其中硼氮基超导体被视为最重要的高温超导体之一。
对于氢基超导材料，目前有学者提出了绝缘的固态氢在高压下转变成金属状态，即金属氢，学术界认为它极有可能是室温超导体，但是，目前实验压力已经达到388GPa左右，仍然没有获得氢金属化的直接证据。最近，硼氮化铝引起了众多科学家的关注，但目前对于使用硼氮基化合物作为超导材料的探索研究仍然鲜有报道。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种硼氮基超导材料及其制备方法，以获得具有三元金属特性的新型超导材料体系。
第一方面，本发明提供了一种硼氮基超导材料，所述硼氮基超导材料的化学式为M2(BN)6，其中，M为化学元素周期表中任意的化学元素。
优选的是，所述的硼氮基超导材料，M为H、Li、Al、F、Br、P、S、Sn、Pb中的一种化学元素。
优选的是，所述的硼氮基超导材料，所述硼氮基超导材料的工作压力为0GPa～200GPa、超导临界温度为1.68K～74.43K。
第二方面，本发明提供了一种所述的硼氮基超导材料的制备方法，包括以下步骤：
提供氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体；
对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理使其金属化即得硼氮基超导材料。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，所述氮化硼粉末与所述M元素对应的粉末的摩尔比为(3～5):1；或，所述氮化硼粉末与所述M元素对应的气体的摩尔比为(6～8):1。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，所述加压压制处理的压力为0GPa～200Gpa。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，利用金刚石对顶砧作为加压装置对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，所述金刚石对顶砧采用的垫片为铼片或不锈钢片，所述金刚石对顶砧采用的传压介质为氦气，所述金刚石对顶砧采用的压标物质为红宝石。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理之前还包括：对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体混合后，进行压片处理，得到预压片。
优选的是，所述的硼氮基超导材料的制备方法，包括以下步骤：利用金刚石对顶砧作为加压装置，对所述垫片进行预压处理，在所述垫片中形成孔；
将所述预压片置于所述孔中；
控制所述金刚石对顶砧对所述预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料。
本发明的硼氮基超导材料及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的硼氮基超导材料，以氮化硼粉末和M元素的粉末或气体作为原料，在密闭条件下进行加压压制处理使原料金属化，获得硼氮基超导材料，其分子式为M2(BN)6，是一种具有三元金属特性的超导材料体系，为超导材料的选择及其应用提供了更大的空间；
(2)本发明的硼氮基超导材料的工作压力为0GPa～200GPa、临界超导温度为1.68K～74.43K，工作压力和临界超导温度均具有很宽的调制范围，可以更好地适用于各个行业领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的其中一个实施例中硼氮基超导材料的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明的其中一个实施例中金刚石对顶砧的结构示意图；
图3为本发明实施例1中的硼氮基超导材料的晶体结构图；
图4是本发明实施例1中的硼氮基超导材料的电子态密度图谱；
图5是本发明实施例1中的硼氮基超导材料的声子谱、声子态密度以及伊利埃伯格谱函数和电声耦合积分的图谱；
图6是本发明实施例2中的硼氮基超导材料的晶体结构图；
图7是本发明实施例2中的硼氮基超导材料的电子态密度图谱；
图8是本发明实施例2中的硼氮基超导材料的声子谱、声子态密度以及伊利埃伯格谱函数和电声耦合积分的图谱；
图9是本发明实施例3中的硼氮基超导材料的晶体结构图；
图10是本发明实施例3中的硼氮基超导材料的电子态密度图谱；
图11是本发明实施例3中的硼氮基超导材料的声子谱、声子态密度以及伊利埃伯格谱函数和电声耦合积分的图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种硼氮基超导材料，硼氮基超导材料的化学式为M2(BN)6，其中，M为化学元素周期表中任意的化学元素。
需要说明的是，本申请中的硼氮基超导材料化学式为M2(BN)6，是一种具有三元金属特性的超导材料体系，具体的，对M元素不作限定，凡是能够形成三元金属特性的M元素均可行。
在一些实施例中，优选的，M为H、Li、Al、F、Br、P、S、Sn、Pb中的一种化学元素。具体的当M选用上述元素时，对应的硼氮基超导材料化学式为H2(BN)6、Li2(BN)6、Al2(BN)6、F2(BN)6、Br2(BN)6、P2(BN)6、S2(BN)6、Sn2(BN)6、Pb2(BN)6。
在一些实施例中，硼氮基超导材料的工作压力为0GPa～200GPa、超导临界温度为1.68K～74.43K。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了上述硼氮基超导材料的制备方法，包括以下步骤：
提供氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体；
在密闭条件下，对氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理使其金属化即得硼氮基超导材料。
需要说明的是，本申请中硼氮基超导材料的制备方法，根据具体的硼氮基超导材料的化学式，选用M元素对应的粉末或气体，例如当硼氮基超导材料化学式为H2(BN)6时，M元素为H，则选用H2；若硼氮基超导材料化学式为S2(BN)6或Pb2(BN)6，M元素为S或Pb，则相应的选用硫粉或铅粉。
在一些实施例中，氮化硼粉末与M元素对应的粉末的摩尔比为(3～5):1；或，氮化硼粉末与M元素对应的气体的摩尔比为(6～8):1。
在一些实施例中，优选的，氮化硼粉末与M元素对应的粉末的摩尔比为3:1；或，氮化硼粉末与M元素对应的气体的摩尔比为6:1。
在一些实施例中，加压压制处理的压力为0GPa～200Gpa。
在一些实施例中，利用金刚石对顶砧作为加压装置对氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理。
在一些实施例中，金刚石对顶砧采用的垫片为铼片或不锈钢片，金刚石对顶砧采用的传压介质为氦气，所述金刚石对顶砧采用的压标物质为红宝石。具体的，不锈钢片可以是T301不锈钢片。
在一些实施例中，对氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理之前还包括：对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体混合后，进行压片处理，得到预压片。
在一些实施例中，硼氮基超导材料的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、提供氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体，并按照一定的摩尔比混合，然后对混合后的氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体进行压片处理得到预压片；
S2、利用金刚石对顶砧作为加压装置，对垫片进行预压处理，在垫片中形成孔；
S3、将预压片置于孔内，利用金刚石对顶砧对预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料。
需要说明的是，本申请的硼氮基超导材料的制备方法，控制加压压制处理的压力范围为0GPa～200GPa，制备的硼氮基超导材料的临界超导温度为1.68K～74.43K。
具体地，超导材料所能达到的临界超导温度(即超导临界温度)可通过求解伊利埃伯格(Eliashberg)方程得到。通常地，由于求解伊利埃伯格方程难度过高，转而求解戴恩斯修正的麦克米兰方程(如下方程式1)或艾伦-戴恩斯修正的麦克米兰方程(如下方程式2)得到超导材料的超导转变温度：
Figure BDA0003096857170000061
Figure BDA0003096857170000062
其中，方程式1和方程式2中，Tc为超导转变温度、λ为电声耦合常数、μ为库伦赝势、ωlog为声子频率对数平均值、f1为强耦合修正因子、f2为形状修正因子。
为了制备得到硼氮基超导材料，需要对氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体混合后进行压片处理；具体地，本发明实施例中采用阿法埃莎(中国)化学有限公司的99.9％纯度的氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体作为样品，对样品进行压片处理，制备获得预定厚度的氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体的预压片；具体的，若以M元素对应的气体为原料，则将氮化硼粉末置于充满该气体的密闭腔室内进行压片处理即得预压片，例如M元素对应的气体为氢气时，将氮化硼粉末置于充满氢气的密闭腔室内进行压片即得预压片。具体的压片处理过程中所用的压力根据实际情况确定，比如压片处理的压力可为1～10MPa。氮化硼粉末和M元素对应的粉末或气体的预压片的厚度可以根据实际需要设置，例如可以设置为20μm左右。
本申请中采用金刚石对顶砧作为加压装置，对垫片进行预压处理，控制金刚石对顶砧对预压片进行加压压制处理使其金属化。具体的，金刚石对顶砧的结构示意图如图2所示，其包括：上压砧3、下压砧4和垫片1，垫片1可采用铼片或T301不锈钢片，红宝石球2置于金刚石对顶砧的样品腔内作为压力内标，利用红宝石的荧光峰在压力下的移动来标定压力，氦气作为传压介质，上压砧3和下压砧4直径为300μm，上压砧3和下压砧4直径很小故可以达到较高的压力；在进行加压压制处理前，为了便于后续的压制处理，采用上压砧3对垫片1进行预压处理，预压垫片至压力为5GPa左右，然后在垫片1的压痕中心形成孔11，将预压片置于孔11，通过控制上压砧3和下压砧4对预压片进行加压处理，使其金属化，制备得到硼氮基超导材料。
以下将结合具体的实施例来说明上述硼氮基超导材料及其制备方法，本领域技术人员所理解的是，下述实施例仅是本发明上述硼氮导材料及其制备方法的具体示例，而不用于限制其全部。
实施例1
本申请实施例提供了一种硼氮基超导材料，其化学式为H2(BN)6，该硼氮基超导材料的制备方法包括以下步骤：
S1、提供摩尔比为6:1的氮化硼粉末和氢气，将氮化硼粉末置于充满氢气的密闭腔室内进行压片处理得到预压片；
S2、利用金刚石对顶砧作为加压装置，对铼垫片进行预压处理，在铼垫片中形成孔；
S3、将预压片置于孔内，在密闭条件下，利用金刚石对顶砧对预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料H2(BN)6；
其中，加压压制处理的压力为0GPa。
本申请实施例制备得到的硼氮基超导材料的晶体结构如图3所示。从图3中可知，本实施例制备得到的硼氮超导材料是由物质的量比为6:1的氮化硼粉末和氢气组成的，其化学式为H2(BN)6。
图4为本实施例制备得到的的硼氮基超导材料H2(BN)6的电子态密度图谱。从图4中可以看出，本实施例的硼氮基超导材料H2(BN)6在0GPa～200GPa压力下的金属化特征，这是加压产品具有超导电性的前提条件。
本实施例制备得到的硼氮基超导材料H2(BN)6的声子谱、声子态密度、伊利埃伯格(Eliashberg)谱函数和电声耦合积分如图5所示。
图5证明了该硼氮基超导材料H2(BN)6在0GPa压力下的声子特征，该硼氮基超导材料在0GPa声子动力学稳定且具有强的电声耦合，具有超导电性的特征。在0GPa压力下，本实施例的硼氮基超导材料H2(BN)6在温度为45.91K时可以实现超导转变。也就是说，在0GPa的工作压力下，本实施例的硼氮基超导材料H2(BN)6是临界温度为45.91K的超导材料。
实施例2
本申请实施例提供了一种硼氮基超导材料，其化学式为S2(BN)6，该硼氮基超导材料的制备方法包括以下步骤：
S1、提供摩尔比为3:1的氮化硼粉末和硫粉，将氮化硼粉末和硫粉混合后进行压片处理得到预压片；
S2、利用金刚石对顶砧作为加压装置，对铼垫片进行预压处理，在铼垫片中形成孔；
S3、将预压片置于孔内，在密闭条件下，利用金刚石对顶砧对预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料S2(BN)6；
其中，加压压制处理的压力为160GPa。
本申请实施例制备得到的硼氮基超导材料的晶体结构如图6所示。从图6中可知，本实施例制备得到的硼氮超导材料是由物质的量比为3:1的氮化硼粉末和硫粉组成的，其化学式为S2(BN)6。
图7为本实施例制备得到的的硼氮基超导材料S2(BN)6的电子态密度图谱。从图7中可以看出，本实施例的硼氮基超导材料S2(BN)6在0GPa～200GPa压力下的金属化特征，这是加压产品具有超导电性的前提条件。
本实施例制备得到的硼氮基超导材料S2(BN)6的声子谱、声子态密度、伊利埃伯格谱函数和电声耦合积分如图8所示。图8证明了该硼氮基超导材料S2(BN)6在160GPa压力下的声子特征，该硼氮基超导材料S2(BN)6在160GPa声子动力学稳定且具有强的电声耦合，具有超导电性的特征。
在160GPa压力下，本实施例的硼氮基超导材料S2(BN)6在温度为22.87K时可以实现超导转变。也就是说，在160GPa的工作压力下，本实施例的硼氮基超导材料S2(BN)6是临界温度为22.87K的超导材料。
实施例3
本申请实施例提供了一种硼氮基超导材料，其化学式为Pb2(BN)6，该硼氮基超导材料的制备方法包括以下步骤：
S1、提供摩尔比为3:1的氮化硼粉末和铅粉，将氮化硼粉末和铅粉混合后进行压片处理得到预压片；
S2、利用金刚石对顶砧作为加压装置，对铼垫片进行预压处理，在铼垫片中形成孔；
S3、将预压片置于孔内，在密闭条件下，利用金刚石对顶砧对预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料Pb2(BN)6；
其中，加压压制处理的压力为200GPa。
本申请实施例制备得到的硼氮基超导材料的晶体结构如图9所示。从图9中可知，本实施例制备得到的硼氮超导材料是由物质的量比为3:1的氮化硼粉末和铅粉组成的，其化学式为Pb2(BN)6。
图10为本实施例制备得到的的硼氮基超导材料Pb2(BN)6的电子态密度图谱。从图10中可以看出，本实施例的硼氮基超导材料Pb2(BN)6在0GPa～200GPa压力下的金属化特征，这是加压产品具有超导电性的前提条件。
本实施例制备得到的硼氮基超导材料Pb2(BN)6的声子谱、声子态密度、伊利埃伯格谱函数和电声耦合积分如图11所示。图11证明了该硼氮基超导材料Pb2(BN)6在200GPa压力下的声子特征，该硼氮基超导材料Pb2(BN)6在200GPa声子动力学稳定且具有强的电声耦合，具有超导电性的特征。
在200GPa压力下，本实施例的硼氮基超导材料Pb2(BN)6在温度为74.43K时可以实现超导转变。也就是说，在200GPa的工作压力下，本实施例的硼氮基超导材料Pb2(BN)6是临界温度为74.43K的超导材料。
综上所述，以上实施例提供的硼氮基超导材料及其制备方法，以氮化硼粉末和M元素的粉末或气体作为原料，在密闭条件下进行加压压制处理使原料金属化，获得硼氮基超导材料，其分子式为M2(BN)6，是一种具有三元金属特性的超导材料体系，为超导材料的选择及其应用提供了更大的空间。
在一个优选实施例提供的硼氮基超导材料的工作压力低至0GPa(例如实施例1)，另一个优选实施例提供的硼氮基超导材料的临界超导温度高达74.43K(例如实施例3)，具体而言，本发明实施例提供的硼氮基超导材料的工作压力为0GPa～200GPa、临界超导温度为1.68K～74.43K，工作压力和临界超导温度均具有很宽的调制范围，可以更好地适用于各个行业领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硼氮基超导材料，其特征在于，所述硼氮基超导材料的化学式为M2(BN)6，其中，M为化学元素周期表中任意的化学元素。
2.如权利要求1所述的硼氮基超导材料，其特征在于，M为H、Li、AlF、Br、P、S、Sn、Pb中的一种化学元素。
3.如权利要求1所述的硼氮基超导材料，其特征在于，所述硼氮基超导材料的工作压力为0GPa～200GPa、超导临界温度为1.68K～74.43K。
4.一种如权利要求1～3任一所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供氮化硼粉末以及M元素对应的粉末或气体；
对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理使其金属化即得硼氮基超导材料。
5.如权利要求4所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，所述氮化硼粉末与所述M元素对应的粉末的摩尔比为(3～5):1；或，所述氮化硼粉末与所述M元素对应的气体的摩尔比为(6～8):1。
6.如权利要求4所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，所述加压压制处理的压力为0GPa～200Gpa。
7.如权利要求4～6任一所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，利用金刚石对顶砧作为加压装置对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理。
8.如权利要求7所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，所述金刚石对顶砧采用的垫片为铼片或不锈钢片，所述金刚石对顶砧采用的传压介质为氦气，所述金刚石对顶砧采用的压标物质为红宝石。
9.如权利要求8所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体进行加压压制处理之前还包括：对所述氮化硼粉末和所述M元素对应的粉末或气体混合后，进行压片处理，得到预压片。
10.如权利要求9所述的硼氮基超导材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：利用金刚石对顶砧作为加压装置，对所述垫片进行预压处理，在所述垫片中形成孔；
将所述预压片置于所述孔中；
控制所述金刚石对顶砧对所述预压片进行加压压制处理使其金属化，即制备得到硼氮基超导材料。
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