日本高级科学技术研究所
(a)闪锌矿氮化硼(cBN)、(b)六方氮化硼(hBN)、(c)纤锌矿氮化硼(wBN)和(d)菱形氮化硼(rBN)的结构和空间群
硼和氮原子分别用棕色和蓝色表示
鸣谢:JAIST的中野幸介
氮化硼(BN)是一种用途广泛的材料，可应用于各种工程和科学领域
这在很大程度上是由于BN的一个有趣的特性，称为“多晶型”，其特征是能够结晶成一种以上的结构
这通常是对温度和/或压力变化的反应
此外，被称为“多晶型物”的不同结构尽管具有相同的化学式，但它们的物理性质却显著不同
因此，多晶型在材料设计中起着重要的作用，在这方面，了解如何选择性地形成所需的多晶型是至关重要的
然而，BN多晶型引起了一个特殊的问题
尽管进行了几个实验来评估BN多晶型的相对稳定性，但在这个问题上还没有达成共识
虽然计算方法通常是解决这些问题的首选方法，但BN多晶型体对标准计算技术提出了严峻的挑战，因为它们各层之间的“范德瓦尔斯(vdW)相互作用”很弱，这在这些计算中没有考虑
此外，四种稳定的BN多晶型物，即菱面体(rBN)、六方体(hBN)、纤锌矿(wBN)和闪锌矿(cBN)，出现在狭窄的能量范围内，使得捕获小的能量差以及vdW相互作用更具挑战性
由日本高级科学技术研究所(JAIST)助理教授Kousuke Nakano领导的一个国际研究小组现在提供了解决这一争论的证据
在他们的研究中，他们用最先进的第一原理计算框架解决了这个问题，即固定节点扩散蒙特卡罗(FNDMC)模拟
FNDMC代表了流行的量子蒙特卡罗模拟方法中的一个步骤，其中参数化的多体量子“波函数”首先被优化以获得基态，然后被提供给FNDMC
此外，该团队还使用密度泛函理论(DFT)和声子计算，计算了不同温度和压力下BN多晶型物的吉布斯能(在恒定压力和温度下系统可获得的有用功)
这篇论文发表在2022年3月24日的物理化学杂志上
根据FNDMC结果，hBN是最稳定的结构，其次是rBN、cBN和wBN
这些结果在0 K和300 K(室温)下都是一致的
然而，对于两种不同的近似，DFT估计产生了冲突的结果
博士；医生
Nakano解释了这些矛盾的发现:“我们的结果表明，相对稳定性的估计受到交换或相关泛函，或DFT计算中使用的近似的很大影响
因此，使用DFT结果无法得出定量结论，需要更精确的方法，如FNDMC
" 值得注意的是，FNDMC的结果与其他精细计算方法产生的结果一致，如“耦合簇”，表明FNDMC是处理多晶型物的有效工具，特别是那些受vdW力控制的多晶型物
该团队还表明，当实验数据不可用时，它可以提供其他重要信息，如可靠的参考能量
博士；医生
中野对该方法在材料科学领域的未来前景感到兴奋
“我们的研究证明了FNDMC检测涉及vdW力的微小能量变化的能力，这将刺激这种方法用于其他范德华材料，”他说
“此外，基于这种精确可靠方法的分子模拟可以增强材料设计，从而开发药物和催化剂
"
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