Crystal structures, elastic properties, and hardness of high-pressure synthesized CrB₂ and CrB₄

Chromium tetraboride (CrB₄), a recently proposed candidate for superhard materials, has been synthesized at high pressure and temperature by a solid-state reaction. As a byproduct, chromium diboride (CrB₂) also forms and co-exists with CrB₄ in the final product. The comparative studies of crystal structure, elastic property, and hardness of both phases have been conducted at the same sample environment conditions. The crystal structure of CrB₄ has been refined with an orthorhombic symmetry of Immm (space group no. 71) or Pnnm (space group no. 58) using X-ray diffraction data. Further simulations indicate that the structural distinction between Immm and Pnnm can be resolved by neutron diffraction, due to the high scattering cross-section of boron (11B) by neutrons. Although CrB₂ and CrB₄ have close bulk modulus at about 230 GPa, the measured asymptotic Vickers hardness yields 16 GPa for CrB₂ but 30 GPa for CrB₄, which is nearly two times that of CrB₂. The dramatic enhancement in hardness in CrB₄ is attributed to the strong three-dimensional Cr–B network, in contrast to the layered lattice structure of hexagonal CrB₂.Тетраборид хрому (CrB₄), недавно запропонований як перспективний надтвердий матеріал, був синтезований при високому тиску і температурі шляхом твердофазної реакції. Як побічний продукт, утворюється також диборид хрому (CrB₂) і співіснує з CrB₄ в кінцевому продукті. Проведено порівняльне вивчення кристалічної структури, пружних властивостей і твердості обох фаз при однакових умовах навколишнього середовища. З використанням даних дифракції рентгенівських променів кристалічна структура CrB₄ визначена як та, що має орторомбічну симетрію Immm (просторова група № 71) або Pnnm (просторова група № 58). Подальші модельні експерименти показують, що структурну відмінність між Immm і Pnnm можна визначити методом нейтронної дифракції завдяки високому перерізу розсіювання бору (11B) нейтронами. Хоча CrB₂ і CrB₄ мають близький модуль об’ємного стиску ~ 230 ГПа, асимптотично виміряна твердість за Вікерсу дорівнює 16 ГПа для CrB₂, але 30 ГПа для CrB₄, що майже в два рази більше, ніж для CrB₂. Різке підвищення твердості в CrB₄ пов’язують із сильною тривимірної сіткою Cr–B, на відміну від шаруватої структури ґратки гексагонального CrB₂.Тетраборид хрома (CrB₄), недавно предложенный как перспективный сверхтвердый материал, был синтезирован при высоком давлении и температуре путем твердофазной реакции. Как побочный продукт, образуется также диборид хрома (CrB₂) и сосуществует с CrB₄ в конечном продукте. Проведено сравнительное изучение кристаллической структуры, упругих свойств и твердости обеих фаз при одинаковых условиях окружающей среды. С использованием данных дифракции рентгеновских лучей кристаллическая структура CrB₄ определена как имеющая орторомбическую симметрию Immm (пространственная группа № 71) или Pnnm (пространственная группа № 58). Дальнейшие модельные эксперименты показывают, что структурное различие между Immm и Pnnm может быть можно определить методом нейтронной дифракции благодаря высокому сечению рассеяния бора (11B) нейтронами. Хотя CrB₂ и CrB₄ имеют близкий модуль объемного сжатия ~ 230 ГПа, асимптотически измеренная твердость по Викерсу равна 16 ГПа для CrB₂, но 30 ГПа для CrB₄, что почти в два раза больше, чем для CrB₂. Резкое повышение твердости в CrB₄ связывают с сильной трехмерной сеткой Cr–B, в отличие от слоистой структуры решетки гексагонального CrB₂

Structure and properties of ilmenite from first principles

Published versio

Mineralogy and density of Archean volcanic crust in the mantle transition zone

The composition of Archean volcanic crust can be characterized by a higher Mg/Si ratio than modern mid-ocean ridge basalt (MORB), because of the higher degree melting from the warmer mantle in the Archean. Although modern MORB may become less dense than the surrounding mantle beneath the mantle transition zone (MTZ), the Mg-rich composition of Archean volcanic crust may result in the different density, and therefore different sinking behavior near the MTZ. In order to understand the compositional effect of Archean volcanic crust on the sinking behaviors and the scale of mantle mixing in the Archean, we investigated the mineralogy and density of Archean volcanic crust near the MTZ (470–910 km-depth). We conducted experiments at 19–34 GPa and 1400–2400 K using the laser-heated diamond anvil cell (LHDAC) combined with in-situ X-ray diffraction (XRD). The in-situ XRD and the chemical analysis revealed that Archean volcanic crust forms garnet and ringwoodite (84 and 16 vol%, respectively), which gradually transforms to Brg and CaPv (82 and 18 vol%, respectively) at 23–25 GPa and 1800 K. Our in-situ XRD experiments allowed us to measure the volumes of stable phases and to estimate their densities at high pressure and temperature. The results suggest that Archean volcanic crust maintains greater density than the pyrolitic mantle in the Archean regardless of temperature at 20–34 GPa (570–850 km-depth), promoting further sinking into the deeper mantle in the Archean. We also considered the density of the subducting slab in the Archean. The density model showed that the subducting slab is still denser or at least equally dense as the surrounding pyrolitic mantle in the Archean