日前，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室李全教授、马琰铭教授与美国内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授等研究学者，在孪晶超硬材料结构设计方面获得新进展。相关研究成果以“Intrinsic Dense Twinning via Release of Native Strain”为题，于2023年07月14日在线发表于《材料学报》（Acta Materialia 257, 119151）。

确定材料的稳定晶体结构，以及阐明实际晶体中广泛存在的缺陷对结构稳定性和宏观物性的影响，是物理、材料和化学等多学科领域共同关注的基本科学问题。研究人员普遍认为，引入空位、位错或晶界等缺陷会导致晶格畸变，造成晶体平移对称性、成键对称性破缺，进而提高晶体的能量。然而，在由复杂结构单元组成的晶体中可能会出现例外情况。在这类晶体中，结构单元内部和结构单元之间均具有复杂多样的成键模式，使晶体内部可能存在难以释放的应变。缺陷为释放这类晶体的内禀应变和稳定晶体结构，开辟了一条新途径。

本工作选取一类重要的候选超硬材料“二十面体笼型硼化合物”为研究对象，发展出适用包含复杂结构单元的孪晶结构设计方法（图1），编写了自主知识产权软件，提出了一种孪晶化诱导结构稳定的有趣机制，设计出多组以致密孪晶为特征的稳定晶体结构。与原始晶体相比，这些孪晶相不仅具有更低的能量，还显示出更优越的力学性能。例如，菱方相碳化硼（R-B₄C）长期被认为是B₄C的最稳定单晶结构。基于自主发展的孪晶结构设计方法，采用“释放晶体复杂成键网络中的原生应变”策略，本研究设计出了一系列能量低于R-B₄C的孪晶相B₄C结构（图2）。随着缺陷（孪晶）密度的增加，孪晶相的能量逐渐降低。结果显示，具有最致密周期性的孪晶相Twin R₁结构是B₄C的最稳定晶体结构，其理想剪切强度到达50 GPa，比R-B₄C提升约25%。该现象还在二十面体笼型硼化合物B₆O、B₆N和B₁₃CN中出现。当前研究展示了在此类复杂共价键晶体中孪晶诱导的晶体稳定机制，丰富了含缺陷晶体的构效关系，为高性能超硬材料的结构设计和制备提供了新思路。

图1：适用于含复杂结构单元的孪晶结构设计方法

图2：新型B₄C孪晶结构与能量

吉林大学鼎新博士后宋贤齐博士、吉林大学物理学院讲师刘畅博士为本文的共同第一作者。本文通讯作者为吉林大学物理学院李全教授和马琰铭教授、美国内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台等项目的资助。

论文全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423004822?dgcid=coauthor