通过硼和硅掺杂调节纳米孪晶金刚石的机电性能：基于第一性原理的洞察

《Mechanics of Materials》：Tuning electromechanical properties of nanotwinned diamond through boron and silicon doping: A first-principles insight

纳米孪晶金刚石的剪切强化机制与电子调控研究。通过DFT模拟揭示{111}孪晶界促进多阶段滑移-重孪晶循环，使理想剪切强度提升70%，带隙在0-4.4 eV可逆振荡。硼掺杂实现金属导电性（B-C位点反演降低导带密度），硅掺杂保留半导体特性但存在剪切方向不对称（正剪切带隙非单调变化，负剪切阈值应变触发界面主导滑移）。证实孪晶界工程、掺杂协同应变调控是设计应变适应电子与超硬金刚石材料的有效策略。

　　

王晓天|李晓宝|米长文

中国江苏省东南大学土木工程学院基础设施与先进设备机械分析重点实验室，南京210096

摘要

金刚石中的相干{111}孪晶界，特别是在掺杂硼（B）或硅（Si）的情况下，为调节超硬碳材料的机械强度和电子特性提供了一种强有力的方法。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理模拟，我们阐明了孪晶界和掺杂剂对金刚石纳米结构在剪切载荷下的机械和电子响应的影响。这些孪晶界使纳米孪晶金刚石（nt-金刚石）能够经历多阶段的滑移-解孪晶循环，从而将理想剪切强度提高了约70%，并诱导出可逆的带隙振荡（0 eV至4.4 eV）。硼掺杂会引入持续的金属性，伴随着层状滑移和孪晶重构，同时发生B-C位点的反转，这使导带变平并增强了费米能级附近的积分态密度，同时保持峰值剪切应力超过110 GPa。相比之下，硅掺杂保持了半导体的性质，但引入了显著的剪切方向不对称性。正剪切驱动非单调的带隙变化，这种变化受界面配对和Si-C键伸长的控制；而负剪切则将变形局部化在孪晶界之上，直到达到一个阈值应变，从而触发界面主导的滑移和快速的电子转变。这些发现突显了晶界工程、定向掺杂和剪切应变工程作为设计具有应变适应性电子功能和卓越机械韧性的金刚石基材料的多功能策略的作用，为先进的微机电系统（MEMS）、摩擦学涂层和高温电子设备的发展铺平了道路。

引言

单晶金刚石是一种卓越的超硬碳同素异形体，以其无与伦比的硬度（Dub等人，2017年；Paci等人，2005年；Liang等人，2009年）、出色的导热性（Wang和Sun，2024年；Wu等人，2023年；Leung等人，1999年；Anaya等人，2017年）以及宽的间接带隙（Popovici和Prelas，1995年；Lu等人，2022年；Liu等人，2019年）而著称。这些特性使金刚石成为极端环境电子学和保护涂层的理想材料。然而，其电子可调性仍然受到限制：硼掺杂会产生浅的受主能级，但需要低温才能实现简并导电；而可靠的$n$型导电性则难以实现（Lilin等人，2023年；Wu等人，2006年；Guzman等人，2022年；Popovici和Prelas，1995年）。纳米结构的最新进展通过具有相干{111}孪晶界（TBs）的纳米孪晶金刚石（nt-金刚石）提供了一种有吸引力的替代方案。这些孪晶界通过阻碍位错运动并激活强化机制，将硬度提高到约200 GPa（Huang等人，2014年；Taheri Mousavi等人，2019年）。除了增强机械强度外，TBs还形成了与掺杂剂和应变场相互作用的原子级精确界面，为同时调节机械和电子特性打开了新的可能性。

相干TBs为nt-金刚石带来了单晶金刚石所缺乏的两个显著优势。首先，高密度的TBs通过促进部分{111}滑移来增强机械韧性，从而推迟了不可逆的