Crystal structure of dense pseudo-cubic boron allotrope, pc-B52, by powder X-ray diffraction

During past years, a number of reports have been published on synthesis of tetragonal allotrope of boron, t-B52 phase. However, no unambiguous characterization of the crystal structure has been performed to the present time, while remarkable variation of the a/c lattice-parameter ratio raises strong doubts about its uniqueness. Here the Rietveld refinement of the crystal structure of the high pressure - high temperature boron phase synthesized by a direct solid-state transformation of rhombohedral beta-B106 at 20 GPa and 2500 K has been reported for the first time. Although this boron allotrope belongs to the t-B52 type, its structure can be considered as pseudo-cubic with the a/c ratio of sqr(2)

Thermoelastic Equation of State of Boron Suboxide B6O up to 6 GPa and 2700 K: Simplified Anderson-Gr\"uneisen Model and Thermodynamic Consistency

p-V-T equation of state of superhard boron suboxide B6O has been measured up to 6 GPa and 2700 K using multianvil technique and synchrotron X-ray diffraction. To fit the experimental data, the theoretical p-V-T equation of state has been derived in approximation of the constant value of the Anderson-Gr\"uneisen parameter {\delta}T. The model includes bulk modulus B0 =181 GPa and its first pressure derivative B0' = 6 at 300 K; two parameters describing thermal expansion at 0.1 MPa, i.e. a = 1.4x10-5 K-1 and b = 5x10-9 K-2, as well as {\delta}T = 6. The good agreement between fitted and experimental isobars has been achieved to the absolute volume changes up to 5% as compared to volume at standard conditions, V0. The fitted thermal expansion at 0.1 MPa is well consistent with the experimental data, as well as with ambient-pressure heat capacity cp, bulk modulus B0 and {\delta}T describing its evolution with volume and temperature. The fitted value of Gr\"uneisen parameter {\gamma} = 0.85 is in agreement with previous empiric estimations for B6O and experimental values for other boron-rich solids

Crystal structure of dense pseudo-cubic boron allotrope, pc-B₅₂, by powder X-ray diffraction

During past years, a number of reports have been published on synthesis of tetragonal allotrope of boron, t-B₅₂ phase. However, no unambiguous characterization of the crystal structure has been performed to the present time, while remarkable variation of the a/c lattice-parameter ratio raises strong doubts about its uniqueness. Here the Rietveld refinement of the crystal structure of the high pressure-high temperature boron phase synthesized by a direct solid-state transformation of rhombohedral β-B₁₀₆ at 20 GPa and 2500 K has been reported for the first time. Although this boron allotrope belongs to the t-B₅₂ type, its structure can be considered as pseudo-cubic with the a/c ratio of √2.В останні роки опубліковано ряд повідомлень про синтез тетрагональної алотропної модифікації бору, t-B₅₂. Однак її кристалічну структуру не було однозначно встановлено, а значні відхилення відношення параметрів решітки a/c змушують засумніватися в її єдиності. У цьому повідомленні вперше приведено результати рітвельдівського уточнення кристалічної структури високотемпературної фази високого тиску бору, отриманої прямим твердофазним перетворенням ромбоедричного β-B₁₀₆ при 20 ГПа і 2500 К. Незважаючи на те, що ця фаза належить до типу t-B₅₂, її структуру слід розглядати як псевдокубічну з відношенням a/c рівним √2 .В последние годы опубликован ряд сообщений о синтезе тетрагональной аллотропной модификации бора, t-B₅₂. Однако ее кристаллическая структура не была однозначно установлена, а значительные отклонения отношения параметров решетки a/c заставляют усомниться в ее единственности. В этом сообщении впервые приведены результаты ритвельдовского уточнения кристаллической структуры высокотемпературной фазы высокого давления бора, полученной прямым твердофазным превращением ромбоэдрического β-B₁₀₆ при 20 ГПа и 2500 К. Несмотря на то, что эта фаза принадлежит к типу t-B₅₂, ее структуру следует рассматривать как псевдокубическую с отношением a/c равным √2

Thermoelastic equation of state of boron suboxide B₆O up to 6 GPa and 2700 K: simplified anderson-grüneisen model and thermodynamic consistency

The p-V-T equation of state of superhard boron suboxide B₆O has been measured up to 6 GPa and 2700 K using multianvil technique and synchrotron X-ray diffraction. To fit the experimental data, the theoretical p-V-T equation of state has been derived in approximation of the constant value of the Anderson-Grüneisen parameter δT. Bulk modulus B₀ =181 GPa and its first pressure derivative B₀' = 6 at 300 K; two parameters describing thermal expansion at 0.1 MPa, i.e., a = 1.4×10–5 K–1 and b = 5×10–9 K–2 as well as dT = 6 have been included in the model. The good agreement between fitted and experimental isobars has been achieved to the absolute volume changes up to 5 % as compared to the volume at standard conditions, V0. The fitted thermal expansion at 0.1 MPa well consistent with the experimental data as well as with ambient-pressure heat capacity cp, bulk modulus B₀ and dT describing its evolution with volume and temperature have been discussed. The fitted value of Grüneisen parameter g = 0.85 in agreement with previous empiric estimations for B₆O and experimental values for other boron-rich solids has been reported.p, V, T-рівняння стану надтвердого субоксиду бору B₆₀ було поміряно до 6 ГПа і 2700 К в багатопуансонному апараті високого тиску методом дифракції синхротронного випромінювання. Для опису експериментальних даних було запропоновано теоретичне p, V, T-рівняння стану в наближенні постійного значення параметра Андерсена-Грюнайзена δT. Модель включає модуль стиснення B₀ =181 ГПа і його першу похідну по тиску B₀′ = 6 при 300 К; два параметри, що описують термічне розширення при 0,1 МПа, а саме a = 1,4∙10–5 К–1 і b = 5∙10⁻⁹ К⁻², а також δT = 6. Хорошу відповідність між розрахованими і експериментальними ізобарами було досягнуто аж до абсолютної зміни обсягу в 5 % порівняно з початковим об’ємом V0 при 0,1 МПа і 300 К. Отримані значення термічного розширення при 0,1 МПа добре узгоджуються не тільки з експериментальними даними, але і з теплоємністю cp при атмосферному тиску, модулем стиснення B₀ і параметром δT, що описує зміну модуля стиснення з об’ємом/температурою. Отримане значення параметра Грюнайзена γ = 0,85 знаходиться у відповідності з емпіричними оцінками для B₆₀ і експериментальними значеннями для інших сполук з великим вмістом бору.p, V, T-уравнение состояния сверхтвердого субоксида бора B₆₀ было измерено до 6 ГПа и 2700 К в многопуансонном аппарате высокого давления методом дифракции синхротронного излучения. Для описания экспериментальных данных было предложено теоретическое p, V, T-уравнение состояния в приближении постоянного значения параметра Андерсена-Грюнайзена δT. Модель включает модуль сжатия B₀ = 181 ГПа и его первую производную по давлению B₀′ = 6 при 300 К; два параметра, описывающих термическое расширение при 0,1 МПа, а именно a = 1,4∙10–5 К–1 и b =5∙10⁻⁹ К⁻², а также δT = 6. Хорошее соответствие между рассчитанными и экспериментальными изобарами было достигнуто вплоть до абсолютного изменения объема в 5 % по сравнению с исходным объемом V0 при 0,1 МПа и 300 К. Полученные значения термического расширения при 0.1 МПа хорошо согласуются не только с экспериментальными данными, но и с теплоемкостью cp при атмосферном давлении, модулем сжатия B₀ и параметром δT, описывающим изменение модуля сжатия с объемом/температурой. Полученное значение параметра Грюнайзена γ = 0,85 находится в соответствии с эмпирическими оценками для B₆₀ и экспериментальными значениями для других соединений с большим содержанием бора

Phase boundary between Na-Si clathrates of structures I and II at high pressures and high temperatures

Understanding the covalent clathrate formation is a crucial point for the design of new superhard materials with intrinsic coupling of superhardness and metallic conductivity. Silicon clathrates have the archetype structures that can serve an existant model compounds for superhard clathrate frameworks "Si-B", "Si-C", "B-C" and "C" with intercalated atoms (e.g. alkali metals or even halogenes) that can assure the metalic properties. Here we report the in situ and ex situ studies of high-pressure formation and stability of clathrates Na8Si46 (structure I) and Na24+xSi136 (structure II). Experiments have been performed using standard Paris-Edinburgh cells (opposite anvils) up to 6 GPa and 1500 K. We have established that chemical interactions in Na-Si system and transition between two structures of clathrates occur at temperatures below silicon melting. The strong sensitivity of crystallization products to the sodium concentration have been observed. A tentative diagram of clathrate transformations has been proposed. At least up to ~6 GPa, Na24+xSi136 (structure II) is stable at lower temperatures as compared to Na8Si46 (structure I)

Hardness of materials at high temperature and high pressure

International audienceIntrinsic character of correlation between hardness and thermodynamic properties of solids has been established. The proposed thermodynamic model of hardness allows one to easily estimate hardness and bulk moduli of known or even hypothetical solids from the data on Gibbs energy of atomization of the elements or on the enthalpy at the melting point. The correctness of this approach has been illustrated by an example of the recently synthesized superhard diamond-like BC5 and orthorhombic modification of boron, γ-B28. The pressure and/or temperature dependences of hardness have been calculated for a number of hard and superhard phases, i.e. diamond, cBN, B6O, B4C, SiC, Al2O3, β-B2O3 and β-rh boron. The excellent agreement between experimental and calculated values has been observed for temperature dependences of Vickers and Knoop hardness. Besides, the model predicts that some materials can become harder than diamond already at pressures in the megabar range.

On the Hardness of a New Boron Phase, Orthorhombic {\gamma}-B28

Measurements of the hardness of a new high-pressure boron phase, orthorhombic {\gamma}-B28, are reported. According to the data obtained, {\gamma}-B28 has the highest hardness (~50 GPa) of all known crystalline modifications of boron