物理所石墨碳的冷压相变机制合作研究取得新成果

2011-2-22 14:32 来源: 中国科学院
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  在压力作用下,W碳可通过一层对三层的石墨碳层间的滑动、扭曲、重构形成

  碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一,单质碳通常以石墨和金刚石两种晶型存在。实验发现,在高温高压(大于1300K,15GPa)下层状石墨碳和碳纳米管可形成金刚石结构;另一方面,在室温高压(大于14GPa)下,实验发现石墨碳存在一个高压相变,但是长期以来关于石墨碳的室温高压相变机制及其高压相的晶体结构一直困扰着实验和理论科学工作者。

  近年来,通过理论计算研究,吉林大学和美国明尼苏达大学的研究组先后提出了斜方M晶体结构和立方C4晶体结构,但是其形成的动力学机制依然不明。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)王建涛研究员及其合作者美国内华达大学陈长风教授和日本东北大学金属材料研究所川添教授,通过第一性原理计算系统地研究了层状石墨碳的冷压相变机制并发现了一种新的三维正交W碳晶体结构。

  理论计算研究表明,这种新的三维正交W碳晶体结构具有Pnma对称性,超硬、透明,当压力大于12.32GPa时,可稳定存在。在压力作用下W碳可通过一层对三层的石墨碳层间的滑动、扭曲、重构形成(如图),但是当压力解除时呈现可逆反应并恢复到石墨碳的层状结构。这一发现完美地再现和解释了石墨的冷压实验现象。详细的压力效应研究表明,压力可显著降低其相变的反应势垒从而促进反应。但是与高温高压相变不同的是,冷压条件下初始石墨碳层间的滑动模式及其最小反应热焓路径是形成W碳的关键因素。

  这些结果全面地解释了石墨碳的室温高压相变及其高压相的形成机制,同时对理解石墨碳的高温高压相变机制、碳晶体结构及有关物性具有广泛的科学意义。相关部分研究结果发表在1月18日出版的美国物理评论快报【PHYSICAL REVIEW LETTERS,106, 075501 (2011)】上。

  该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院知识创新工程重要方向项目的支持。