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物理所在碳晶体结构理论计算研究方面获新进展

  碳晶体物理结构的理论计算取得了新的进展

  来源:物理研究所发布时间:2010-04-30 \\ n \\ n碳是自然界分布最广泛的基本元素之一。元素碳通常以金刚石和石墨的晶体形式存在。在过去的二十年里,随着碳纳米管和笼状富勒烯(C60)的发现,人们期待发现新的三维碳晶体结构并做大量的实验和理论工作。 2009年,日本东北大学和中国吉林省的研究小组陆续提出了K4和M型碳晶体结构。在热力学结构稳定性公布之后,K4结构被否定,并且通过实验观察和理论计算证明M型晶体结构是在高压相变过程中从石墨到金刚石的过渡态。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理实验室(筹)王建涛研究员,王定生研究员及其合作者陈长风教授日本内华达大学物理系东北大学金属材料研究所川东教授按第一原理计算对碳三维晶体结构的结构稳定性进行了系统的研究。理论计算表明,面心立方晶体结构的C136笼状晶格是金刚石和石墨之后的第三个碳稳定晶体结构。钠掺杂包合物-I:Na8Si46在1965年被发现,最近的包合物-II:Na24-xSi136,JACS,131,9642,2009)等已被合成。 C136晶体具有与Si136相同的结构,并且包含8个C28笼和16个C20笼(参见左下图)。 C28的4个碳6元环中的每一个对应于金刚石结构中的4个CC键,面心立方晶格类似于金刚石结构。作为第三稳定碳结构的晶体结构可以在两个金刚石和石墨形式之间存在广泛的体积变化(右下)。声子谱计算表明,C136晶体具有良好的热力学结构稳定性。压力效应研究表明,碳结构可以通过高压合成。在17GPa附近存在从石墨到C136结构的高压相变。这些结果为这类碳晶体结构的实验合成提供了重要的理论支持,对于理解碳晶体结构和相关物理性质具有广泛的科学意义。研究成果的相关部分发表于2010年3月22日出版的“应用物理学报”107,063507(2010)上。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院知识创新工程重大专项项目方向。
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