Анализ смешиваемости компонентов в тройной материальной системе BN-Si-C

Abstract

Монокристаллический нитрид бора с кубической симметрией (c-BN) представляет собой сверхтвердый материал с широкой запрещенной зоной и со значительным потенциалом для применения при экстремальных температурах и давлениях. Тем не менее, его практическому использованию в технологии и материаловедении препятствуют две основные проблемы: (i) сложность производства высококачественных пленок c-BN и (ii) проблема эффективного n- и pлегирования его матрицы. Данное теоретическое исследование посвящено выяв-лению пределов растворимости кремния (Si) и углерода (C) в c-BN и нитриде бора типа вюрцит (WZ-BN) на основе приближения строго регулярного раствора. Эти элементы являются ключевыми кандидатами в качестве примесей n-типа в BN, что позволяет решить критическую проблему при реализации электроники на основе c-BN. Рассчитанные свободные энергии Гиббса бинарных смесей в интервале температур 800–3000 К указывают на то, что наличие нестабильных областей и, следовательно, областей несовместимости является преобладающей характеристикой этой системы. Анализ показывает, что на величину этих областей влияет не только температура, но и кристаллографическая структура. Результаты расчета предела растворимости Si в бинарной системе BN-Si хорошо согласуются с последними экспериментальными результатами. Представленные здесь результаты могут быть использованы при выращивании многокомпонентных объемных кристаллов, тонких эпитаксиальных пленок и наноструктур на основе твердых растворов BN-Si-C. Cubic boron nitride (c-BN) is an ultrawide band gap, superhard material with significant potential for applications under extreme temperatures and pressures. Nevertheless, two major challenges hinder its practical utilization in technology: (i) the difficulty in producing high-quality c-BN films, and (ii) the challenge of effectively n- and p-doping its matrix. This theoretical study focuses on investigating the solubility limits of silicon (Si) and carbon (C) in the c-BN and wurtzite BN (WZ-BN) on the basis of the strictly regular solution approximation. These elements are key candidates as n-type dopants in BN, addressing a critical concern in the realization of c-BN based electronics. The calculated Gibbs free energies of binary mixtures within the temperature range of 800–3000 K indicate that the presence of unstable regions, and consequently, miscibility gaps, are a prevalent characteristic of this system. The analysis reveals that the immiscibility gap is influenced not only by temperature, but also by the crystallographic structure. The calculated results of Si solubility limit in BN-Si binary system are in a good agreement with the latest experimental results. The findings presented here are applicable to the fabrication of multicomponent bulk crystals, epitaxial thin films, and nanostructures based on BN-Si-C solid solutions.