新型硬质铬基材料的计算搜索

过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物是一类颇具吸引力的硬质材料。我们近期对二元化合物的初步探索表明，铬基材料属于最硬的过渡金属化合物之列。受此启发，本文利用全局优化技术，详细探索了二元 Cr-B、Cr-C 和 Cr-N 体系。利用预测材料的计算生成焓和硬度进行帕累托优化，以确定能量最低的最硬材料。我们的计算重现了所有已知的众多稳定化合物（除了具有大晶胞的 $Cr_{23}C_6$），并发现了一种新的稳定相 $Pmn2_1$-$Cr_2C$。我们解析了 $Cr_2N$ 的结构，发现其为反-$CaCl_2$ 型（空间群 Pnnm）。这些相中的许多都具有显著的硬度，但只有 $CrB_4$ 是超硬的（维氏硬度 48 GPa）。在铬化合物中，硼化物通常具有最高的硬度和最大的稳定性。在压力下，我们预测 $Cr_2N$ 的一种类 TMDC 相、CrN 的一种 WC 型相以及一种新化合物 $CrN_4$ 会稳定存在。富氮的氮化铬 $CrN_4$ 是一种高能量密度材料，具有聚合氮链。在金属原子存在下，氮的聚合在低得多的压力下发生：$CrN_4$ 在 15 GPa 时变得稳定。