燕山大學(xué)高壓科學(xué)中心田永君院士團隊與國內(nèi)外研究人員通力合作，通過高溫高壓熔融法，成功合成由不互溶元素銅和硼組成的新型陶瓷材料。相關(guān)成果以“硬且特別導(dǎo)電的銅硼化合物”為題發(fā)表于物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》。論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.136301。

金屬硼化物是一類具有強耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫、高硬度的多功能陶瓷材料，在化工、醫(yī)藥、冶金、國防等部門廣泛使用。盡管硼在高溫下能與絕大多數(shù)金屬反應(yīng)，但未見關(guān)于IB族(銅、銀、金)金屬硼化物的報道。銅(Cu)和硼(B)作為不互溶元素的代表，只有少數(shù)關(guān)于銅-硼固溶體的報道，例如CuB~??和CuB~??，源于硼和這些金屬具有相近的電負(fù)性和較大差別的原子半徑，兩者之間電荷轉(zhuǎn)移困難，不能形成具有精確化學(xué)計量比的化合物。直至2021年，周向鋒、徐波等人通過分子束外延生長技術(shù)(MBE)首次成功合成二維銅硼化合物Cu?B??[Fundam. Res. 1, 482 (2021)]，證實銅原子與硼原子在極端條件下可以形成化學(xué)鍵。受此啟發(fā)，周向鋒、徐波、田永君等在高溫高壓下合成并表征了新型三維銅硼化合物Cu?.??B??，發(fā)現(xiàn)它是一個既硬又導(dǎo)電的新陶瓷材料。其測量的維氏硬度~27 GPa，室溫電導(dǎo)率可達10?S/m，在所有以B??二十面體為結(jié)構(gòu)基元的硼化物中電導(dǎo)率最高。不僅如此，Cu?.??B??在低溫常壓下，或低溫高壓下，發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。且在30 GPa左右，發(fā)生導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變 (p-n轉(zhuǎn)變)，實驗證明這些現(xiàn)象均源于電子相變，和結(jié)構(gòu)相變無關(guān)。因此，新型銅硼化合物不僅在常壓下具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，并且在極端條件下表現(xiàn)出豐富的量子行為。鑒于它優(yōu)異的導(dǎo)電性和三維硼網(wǎng)格本征的低熱導(dǎo)率，該材料可能在熱電轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

該工作得到國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目資助，其成果已申請發(fā)明專利。論文共同第一作者為燕山大學(xué)理學(xué)院博士生黃明星和材料科學(xué)與工程學(xué)院范長增，通訊作者為周向鋒和田永君。