Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB₂ and CrB₄

Abstract

Chromium tetraboride (CrB₄), a recently proposed candidate for superhard materials, has been synthesized at high pressure and temperature by a solid-state reaction. As a byproduct, chromium diboride (CrB₂) also forms and co-exists with CrB₄ in the final product. The comparative studies of crystal structure, elastic property, and hardness of both phases have been conducted at the same sample environment conditions. The crystal structure of CrB₄ has been refined with an orthorhombic symmetry of Immm (space group no. 71) or Pnnm (space group no. 58) using X-ray diffraction data. Further simulations indicate that the structural distinction between Immm and Pnnm can be resolved by neutron diffraction, due to the high scattering cross-section of boron (11B) by neutrons. Although CrB₂ and CrB₄ have close bulk modulus at about 230 GPa, the measured asymptotic Vickers hardness yields 16 GPa for CrB₂ but 30 GPa for CrB₄, which is nearly two times that of CrB₂. The dramatic enhancement in hardness in CrB₄ is attributed to the strong three-dimensional Cr–B network, in contrast to the layered lattice structure of hexagonal CrB₂.

Тетраборид хрому (CrB₄), недавно запропонований як перспективний надтвердий матеріал, був синтезований при високому тиску і температурі шляхом твердофазної реакції. Як побічний продукт, утворюється також диборид хрому (CrB₂) і співіснує з CrB₄ в кінцевому продукті. Проведено порівняльне вивчення кристалічної структури, пружних властивостей і твердості обох фаз при однакових умовах навколишнього середовища. З використанням даних дифракції рентгенівських променів кристалічна структура CrB₄ визначена як та, що має орторомбічну симетрію Immm (просторова група № 71) або Pnnm (просторова група № 58). Подальші модельні експерименти показують, що структурну відмінність між Immm і Pnnm можна визначити методом нейтронної дифракції завдяки високому перерізу розсіювання бору (11B) нейтронами. Хоча CrB₂ і CrB₄ мають близький модуль об’ємного стиску ~ 230 ГПа, асимптотично виміряна твердість за Вікерсу дорівнює 16 ГПа для CrB₂, але 30 ГПа для CrB₄, що майже в два рази більше, ніж для CrB₂. Різке підвищення твердості в CrB₄ пов’язують із сильною тривимірної сіткою Cr–B, на відміну від шаруватої структури ґратки гексагонального CrB₂.

Тетраборид хрома (CrB₄), недавно предложенный как перспективный сверхтвердый материал, был синтезирован при высоком давлении и температуре путем твердофазной реакции. Как побочный продукт, образуется также диборид хрома (CrB₂) и сосуществует с CrB₄ в конечном продукте. Проведено сравнительное изучение кристаллической структуры, упругих свойств и твердости обеих фаз при одинаковых условиях окружающей среды. С использованием данных дифракции рентгеновских лучей кристаллическая структура CrB₄ определена как имеющая орторомбическую симметрию Immm (пространственная группа № 71) или Pnnm (пространственная группа № 58). Дальнейшие модельные эксперименты показывают, что структурное различие между Immm и Pnnm может быть можно определить методом нейтронной дифракции благодаря высокому сечению рассеяния бора (11B) нейтронами. Хотя CrB₂ и CrB₄ имеют близкий модуль объемного сжатия ~ 230 ГПа, асимптотически измеренная твердость по Викерсу равна 16 ГПа для CrB₂, но 30 ГПа для CrB₄, что почти в два раза больше, чем для CrB₂. Резкое повышение твердости в CrB₄ связывают с сильной трехмерной сеткой Cr–B, в отличие от слоистой структуры решетки гексагонального CrB₂.