HPHT growth of centimeter-sized cubic boron nitride crystals
연구자들은 Ni-Cr 기반 용매 촉매와 HPHT 온도 구배법을 사용하여 1950°C에서 일주일 동안 안정적인 전구체 플럭스를 유지함으로써 10mm를 초과하는 입방 질화붕소 단결정을 성공적으로 성장시켰으며, 이는 붕소와 질소 종의 낮은 유효 확산도에 기인한 길쭉한 형태를 나타냈다.
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재료들이 각자 고유한 초능력을 가진 슈퍼히어로와 같은 세상을 상상해 보십시오. "극한"의 재료라는 영역에서 두 거인이 눈에 띕니다: 바로 다이아몬드와 입방체 질화붕소(cBN)입니다. 둘 다 믿기지 않을 정도로 단단하고, 엄청난 열을 견딜 수 있으며, 빛을 통과시킵니다. 이들은 기계를 위한 궁극의 갑옷이나 강력한 레이저를 위한 완벽한 창문과 같습니다. 다이아몬드는 그 반짝임과 타의 추종을 불허하는 경도로 유명하지만, 한 가지 약점이 있습니다. 온도가 약 800 °C 정도에 달하면 공기 중에서 타버리고 부서지기 시작한다는 점입니다. cBN은 화려함은 덜하지만 열을 개의치 않는 강인한 사촌으로, 1400 °C 이상에서도 강함을 유지합니다. 이 재료들을 큰 작업에 유용하게 만들기 위해서, 과학자들은 단순히 작은 알갱이가 아니라 거대하고 완벽한 단결정으로 키워내야 합니다. 문제는 이 결정을 성장시키는 것이 마치 화산보다 뜨겁고 해저 바닥보다 강한 압력이 가해지는 압력솥 안에서 거대하고 완벽한 케이크를 굽는 것과 같다는 점입니다. 수십 년 동안 과학자들은 아주 작은 cBN 결정을 성장시킬 수 있었던 반면, 다이아몬드 결정은 훨씬 더 크게 키울 수 있었습니다. 질문은 이것이었습니다: 왜 cBN은 다이아몬드를 따라잡지 못했을까요?
이 논문은 과학자 팀이 마침내 너비가 10mm가 넘는 cBN 결정을 성장시키는 데 성공한 이야기를 들려줍니다—이는 이전 기록보다 3배 이상 큰 수치입니다! 그들은 "고온고압(HPHT)"이라고 불리는 방법을 사용했는데, 이는 본질적으로 재료들의 혼합물을 결정으로 변할 때까지 꽉 짜주고 가열하는 아주 멋진 방식의 이름입니다. 비법은 니켈과 크롬이 주성분인 특수한 액체 금속 혼합물(용매)이었는데, 이것은 건축 블록(붕소와 질소)을 성장하는 결정으로 운반하는 운송 트럭 역할을 했습니다. 연구진은 이 "오븐"을 1950 °C의 뜨거운 온도에서 일주일 내내(168시간) 가동했습니다. 그 결과, 내부 구조가 거의 완벽할 정도로 순수한 결정이 만들어졌으며, 이는 라만 분광법이라는 레이저 테스트를 통해 매우 날카로운 신호를 보여줌으로써 증명되었습니다.
하지만 과학자들은 이상한 점을 발견했습니다. 동일한 기계에서 키운 다이아몬드 결정은 둥글고 각진 모양(완벽한 주사위처럼)이었던 반면, cBN 결정은 럭비공이나 핫도그처럼 길고 늘어진 모양이었습니다. 논문은 이것이 cBN의 건축 블록(붕소와 질소)이 액체 금속 내부에서 약간 "끈적거렸기" 때문이라고 시사합니다. 이동하는 동안 이들은 금속과 반응하여 속도가 느려졌습니다. 이는 이들이 다이아몬드 성장 시의 탄소처럼 위아래로 곧게 이동하는 것만큼 쉽지 않았음을 의미합니다. 대신, 이들은 근원지 근처에 쌓여 옆으로 퍼지는 경향이 있었고, 이로 인해 결정이 한 방향으로 다른 방향보다 더 길게 자라게 되었습니다. 연구팀은 단순히 추측한 것이 아닙니다. 그들은 모양을 측정하고 이를 다이아몬드 결정과 비교하여 차이점을 확인했습니다. 또한 그들은 자신들의 새로운 방법이 그저 우연한 행운이 아니라는 점을 입증했습니다. 온도와 금속 혼합물을 정밀하게 제어함으로써, 결정이 깨지거나 지저분한 덩어리를 형성하지 않고도 일관되게 이 거대한 결정들을 성장시킬 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 성공은 "운송 트럭"을 덜 끈적거리게 만드는 약간의 미세 조정만 있다면, 우리는 곧 더 크고 더 완벽한 모양의 cBN 결정을 보게 될 것이며, 이들은 차세대 초강력, 내열 소재가 될 준비가 되어 있다는 것을 시사합니다.
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