超硬材料通常是指金刚石和立方氮化硼，或由这两种材料为主要成分分别制成的复合材料，代表指硬度极高的材料，冠以“工业牙齿”或“材料之王”之称。其中，金刚石（Diamond）作为目前已知的世界上最硬的物质，已是家喻户晓。而立方氮化硅（cBN）了解的人相信并不多，它为什么能够成为硬度仅次于金刚石的存在，它究竟存在着怎样的神秘面纱？ 本文就立方氮化硼进行简要讲解。

立方氮化硼（左）   cBN与其他材料硬度对比（右）

一、立方氮化硼晶体结构

氮化硼（BN）由氮、硼两种原子组成。氮、硼原子通过不同的杂化方式相互作用，从而构成具有不同晶体结构的BN材料，包括：六方氮化硼（hBN）、菱方氮化硼（rBN）、纤锌矿氮化硼（wBN）和立方氮化硼（cBN）。在一定的温度压力条件下，不同晶体结构的BN之间可以通过相变反应来实现相互转变。立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型产品。其中 cBN的晶体结构是闪锌矿结构，属于面心立方晶系，晶体中原子的排列可以看作是两个彼此错开1/4对角线的面心立方相互嵌套而成。

氮化硼不同晶体结构

氮化硼各晶体结构系数

二、立方氮化硼的特性与应用

尽管立方氮化硼硬度不及金刚石，但是它在很多方面的性质却优于金刚石。与金刚石相比，它具有更好的热稳定性和化学稳定性，除此之外，它还具备优良的抗氧化性能和导热性能等。金刚石磨具在高温下加工含铁或镍元素材料时易产生石墨化而失效，但cBN却能保持足够高的力学性能。

立方氮化硼特性

cBN应用

三、立方氮化硼的合成方法简介

立方氮化硼的合成方法很多，从原理上基本上可以分为：高压合成法和低压合成法。高压法主要包括静态高压法和冲击压缩法（爆炸法）；低压合成法，即亚稳区域生长法，主要包括气相沉积法和水热法。具体分类如图5所示。在这合成方法中，应用最为广泛的为静态高压触媒法，其次为爆炸法和晶种温度梯度法，气相沉积法主要用于薄膜生长。

立方氮化硼的合成方法

表3 cBN的制备方法简介

总结：

由于c-BN生长条件的苛刻，目前很难获得高质量的cBN大尺寸单晶，在合成过程中存在的主要问题包括：粘附性问题、厚度问题、纯度问题、成核及生长机理问题。同时，合成大尺寸、高质量cBN单晶是获得功能器件应用的必然选择，可是cBN晶体的大尺寸化远没有金刚石做得成功。但不可否认，cBN有众多优异的性能，像它很宽的能带间隙（Eg > 6.2 eV），是一种新型第三代半导体材料，可以广泛应用于光学和量子计算领域。因此，加快突破cBN大尺寸、高质量的合成，促进cBN在更多新兴领域的探索及应用是非常重要的。我们相信，在未来超硬材料领域，立方氮化硼将成为一颗冉冉升起的“巨星”。 

参考来源：

1、超硬材料合成方法、结构性能、应用及发展现状 张旺玺等

2、cBN基复合材料的高温高压制备与表征  褚栋梁

3、高温高压合成优质立方氮化硼的结构和工艺研究 林树忠

4、大单晶立方氮化硼的高温高压制备与表征 魏征

5、立方氮化硼、六方硼碳氮化合物的高压合成及应用研究 杨大鹏

6、金刚石/立方氮化硼异质外延界面的第一性原理研究 赵德鹤

作者：晴天