Yogesh Vohra, dottorato di ricerca, utilizza la deposizione chimica da vapore al plasma a microonde per creare sottili pellicole di cristalli di materiali mai visti prima. Questo sforzo cerca materiali che si avvicinano a un diamante in durezza e sono in grado di sopravvivere a pressioni estreme, temperatura e ambienti corrosivi. La ricerca di nuovi materiali è motivata dal desiderio di superare i limiti del diamante, che tende ad ossidarsi a temperature superiori a 600 gradi centigradi e reagisce anche chimicamente con i metalli ferrosi.

Vohra, un professore e studioso universitario presso l'Università dell'Alabama presso il Dipartimento di Fisica di Birmingham, ora riporta, nel diario Rapporti scientifici , sintesi di un nuovo materiale ricco di boro-carburo di boro. Questo film, cresciuto su un wafer di silicio da 1 pollice, è chimicamente stabile, ha il 37 percento della durezza del diamante cubico e funge da isolante.

Ugualmente importante, i test sperimentali del nuovo materiale, compresa la diffrazione dei raggi X e la misurazione della durezza del materiale e del modulo di Young, concordano strettamente con i valori previsti calcolati dal team di ricercatori UAB guidato da Cheng-Chien Chen, dottorato di ricerca, assistente professore di fisica all'UAB. I valori previsti derivano dall'analisi dei primi principi, che utilizza calcoli della teoria del funzionale della densità guidati da supercomputer di nuclei caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente. Così, Vohra, Chen e colleghi hanno entrambi realizzato un nuovo composto boro-carbonio e hanno mostrato il potere predittivo dell'analisi dei primi principi per predire le proprietà di questi materiali.

Il nuovo materiale ha la formula chimica B50C2, il che significa 50 atomi di boro e due atomi di carbonio in ciascuna subunità della struttura cristallina. Il problema cruciale è dove sono posti i due atomi di carbonio in ciascuna subunità di cristallo; l'inserimento dei carboni in altri siti porta a materiali instabili e metallici. Il posizionamento preciso dei carboni si ottiene variando le condizioni di crescita.

L'attuale materiale B50C2 è stato coltivato in un sistema di deposizione chimica da vapore al plasma a microonde utilizzando l'idrogeno come gas di trasporto e il diborano, il 90% di gas idrogeno, 10% B2H6 e parti per milione di carbonio, come gas reattivo. I campioni sono stati coltivati ​​a una bassa pressione equivalente alla pressione atmosferica a 15 miglia sopra la Terra. La temperatura del substrato era di circa 750 gradi Celsius.

"La sintesi di materiali ricchi di boro-carburo di boro mediante metodi di deposizione chimica da vapore continua ad essere relativamente inesplorata e uno sforzo impegnativo, " Vohra ha detto. "La sfida è trovare l'insieme corretto di condizioni favorevoli alla crescita della fase desiderata".

"I nostri studi attuali forniscono la convalida della teoria del funzionale della densità nel prevedere una struttura cristallina stabile e fornire un percorso di sintesi metastabile per materiale ricco di boro-carburo di boro per applicazioni in condizioni estreme di pressione, temperatura e ambienti corrosivi."

Co-autori con Vohra e Chen per l'articolo, "Previsioni dei primi principi e sintesi di B50C2 mediante deposizione chimica da vapore, " sono Paul A. Baker, Wei-Chih Chen e Shane A. Catledge, UAB Dipartimento di Fisica.