物理所在碳晶体结构理论计算研究方面获新进展

上一篇 / 下一篇  2010-12-03 22:28:38

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碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一。 单质碳通常以金刚石和石墨两种晶型存在。近二十年来,随着碳纳米管以及笼状富勒烯(C60)的发现,人们期待着能够发现新的三维碳晶体结构并为此做了大量的实验与理论工作。2009年日本东北大学与国内吉林大学的研究组先后提出了K4和M-型碳晶体结构。K4结构因不具备热力学结构稳定性发表后即被否定,M-型晶体结构作为由石墨到金刚石高压相变过程中的过渡态而被实验观察和理论计算证明。中科院物理研究所∕北京凝聚态物理国家实验室(筹)王建涛研究员、王鼎盛研究员及其合作者美国内华达大学物理系陈长风教授、日本东北大学金属材料研究所川添教授等通过第一性原理计算系统地研究了碳三维晶体结构的结构稳定性。理论计算表明,具有面心立方晶体结构的C136笼状晶格是继金刚石和石墨两种晶型之后的第三个碳稳定晶体结构。      钠掺杂简立方硅笼状化合物(clathrate-I:Na8Si46)早在1965年已被发现,最近面心立方硅笼状化合物(clathrate-II:Na24-xSi136,JACS,131, 9642 2009)等相继合成。C136晶体具有与Si136同样的结构,含有8个C28笼和16个C20笼状结构(见下左图),每个C28的4个碳六员环相当于金刚石结构中的4个C-C键,构成类似于金刚石结构的面心立方晶格。该晶体结构作为第三个稳定碳结构可在较大体积变化范围内存在于金刚石和石墨两种晶型之间(下右图)。声子谱计算显示C136晶体结构具有良好的热力学结构稳定性。压力效应研究表明该种碳结构可通过高压合成。在17GPa附近存在一个从石墨到C136结构的高压相变。这些结果为实验合成该类碳晶体结构提供了重要理论支撑,对理解碳晶体结构及有关物性具有广泛的科学意义



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