Formation and characterization of nano- and microstructures of twinned cubic boron nitride

文献情報

出版日 2018-09-17
DOI 10.1039/C8CP04592E
インパクトファクター 3.676
著者

Anagh Bhaumik, Jagdish Narayan


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要旨

Nano- and microstructures of phase-pure cubic boron nitride (c-BN) are synthesized by employing nanosecond pulsed-laser annealing techniques at room temperature and atmospheric pressure. In a highly non-equilibrium synthesis process, nanocrystalline h-BN is directly converted into phase-pure twinned c-BN from a highly undercooled melt state of BN. By changing nucleation and growth rates, we have synthesized a wide range of sizes (90 nm to 25 μm) of c-BN. The electron diffraction patterns show the formation of twinned c-BN with [11] as the twin axis. The twinning density in c-BN can be controlled by the degree of undercooling and quenching rates. The formation of twins predominantly occurs prior to the formation of amorphous quenched BN (Q-BN). Therefore, the defect density in nano c-BN formed under higher undercooling conditions is considerably larger than that in micro c-BN, which is formed under lower undercooling conditions. The temperature-dependent Raman studies show a considerable blue-shift of ∼6 cm−1 with a decrease in temperature from 300 to 78 K in nano c-BN as compared to micro c-BN. The size-effects of c-BN crystals in Raman spectra are modeled using spatial correlation theory, which can be used to calculate the correlation length and twin density in c-BN. It has also been found that the Raman blue-shift in nano c-BN is caused by anharmonic effects, and the decrease in Raman linewidth with decreasing temperature (300 to 78 K) is caused by three- and four-phonon decay processes. The bonding characteristics and crystalline nature of the synthesized c-BN are also demonstrated by using electron energy-loss spectroscopy and electron backscatter diffraction, respectively. We envisage that the controlled growth of phase-pure nano and microstructures of twinned c-BN and their temperature-dependent Raman-active vibrational mode studies will have a tremendous impact on low-temperature solid-state electrical and mechanical devices.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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