МОДЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ УГЛЕРОДНОЙ ФАЗЫ НА ОСНОВЕ ДЕФЕКТОВ ВНЕДРЕНИЯ В ГРАФИТЕ
Аннотация
Привлекательность свойств аллотропных форм углерода мотивирует исследователей на поиск его новых стабильных соединений. В данной работе предложена модель промежуточной углеродной фазы между алмазом и графитом, неоднократно наблюдаемой в эксперименте. Например, ранее было показано, что электронное облучение графита может привести к образованию метастабильной углеродной структуры, имеющей проводимость вдоль направления (0001), что позволяет сделать вывод о формировании связей между слоями графита, которые обеспечивают перенос электронов. Измеренное межплоскостное расстояние в промежуточной углеродной фазе ~2,6 Å предполагает возможное внедрение атомов между углеродными слоями, поскольку расстояние намного больше, чем межплоскостное расстояние в химически связанных слоях (алмаз), но значительно меньше, чем в слоях, связанных ван-дер-ваальсовым взаимодействием (графит). Такая структура может быть реализована за счет внедрения атомов между слоями графита. Тем не менее, теоретические расчеты показали, что соединение графитовых листов с упаковкой АB является энергетически невыгодным, структура рассоединялась на слои графита с интеркалированными атомами углерода. Стабилизация структуры может быть достигнута путём перестройки упаковки графита в AA¢, при этом атомы внедрения в ней формируют спиропентановую структуру с sp3-гибридизацией. Модель показала большую устойчивость с расстоянием порядка 2,6-2,7 Å в области соединения слоёв в соответствии с экспериментальными данными. Другим важным свойством изученной модели является присутствие в плотности электронных состояний ненулевых состояний на энергии Ферми, что предполагает металлическую проводимость, согласующуюся с наблюдаемым падением сопротивления облученных графитовых систем.
Литература
Blatov V.A., Changhao Y., Dingyi T., Zeng Q., Golov A.A., Kabanov A.A. High-throughput systematic topolog-ical generation of low-energy carbon allotropes. Npj Comput. Mater. 2021. V. 7. N 1. P. 1–7. DOI: 10.1038/s41524-021-00491-y.
Zhang S.S., Zhang, Legut D., Fu Z., Germann T.C, Zhang R. High-throughput screening for superhard carbon and boron nitride allotropes with superior stiffness and strength. Carbon. 2018. V. 137. P. 156–164. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.05.020.
Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Sorokin P.B. Investigation of new superhard carbon allotropes with promising electronic properties. J. Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 183708. DOI: 10.1063/1.4829002.
Zhu Q., Oganov A.R, Salvadó M.A, Pertierra P., Lyakhov A.O. Denser than diamond: ab initio search for superdense carbon allotropes. Phys. Rev. B. 2011. V. 83. N 19. P. 193410(4). DOI: 10.1063/5.0032528.
Kvashnina Yu.A., Kvashnin A.G., Sorokina T.P., Kvashnina T.P., Sorokin P.B. Model of ultrahard fullerite. theoretical investigation. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2015. V. 58. N 5. P. 19-21 (in Russian).
Zhao C.-X., Niu C.-Y., Qin Z.-J., Ren X. Y., Wang J.-T., Cho, J.-H., Jia Y. H18 Carbon: A New Metallic Phase with sp2-sp3 Hybridized Bonding Network. Sci. Rep. 2016. V. 6. N 1. P. 21879. DOI: 10.1038/srep21879.
Blank V.D., Churkin V.D., Boris A.K., Perezhogin I.A., Kirichenko A.N., Denisov V.N., Erohin S.V., Sorokin P.B., Popov M.Y. Phase diagram of carbon and the factors limiting the quantity and size of natural diamonds. Nano-technology. 2018. V. 29. N 11. P. 115603. DOI: 10.1088/1361-6528/aaa857.
Popov M.Y., Churkin V.D., Kulnitskiy B.A., Kirichenko A.N., Bulatov K.M., Bykov A.A., Zinin P.V., Blank V.D. Transformation of diamond to fullerene-type onions at pressure 70 GPa and temperature 2400 K. Nanotechnolo-gy. 2020. V. 31. N 31. P. 315602. DOI: 10.1088/1361-6528/ab8b8f.
Iwata T., Nihira T., Matosuo H. Irradiation and annealing effects on the c-axis electrical resistivity of graphite. Phys. Soc. Japan. 1974. V. 36. P. 123–129. DOI: 10.1143/JPSJ.36.123.
Lin Y., Zhang L., Mao H., Chow P., Xiao Y., Baldini M., Jinfu Shu Mao. Amorphous Diamond: A High-Pressure Superhard Carbon Allotrope. Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. N 17. P. 175504. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.175504.
Popov M. Stress-induced phase transitions in diamond. High Press. Res. 2010. V. 30. N 4. P. 670–678. DOI: 10.1080/08957959.2010.525510.
Popov M., Mordkovich V., Perfilov S., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Blank V. Synthesis of ultra-hard fullerite with a catalytic 3D polymerization reaction of C60. Carbon. 2014. V. 76. P. 250–256. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.075.
Aksenenkov V.V., Popov M.Yu., Perfilov S.A. Kulnitskiy B.A., Tatyanin Ye.V., Zhigalina O.M., Mavrin B.N., Denisov V.N., Ivlev A.N., Chernov V.M. Stepanov V.A., Blank V.D. A new carbon structure formed at MeV neu-tron irradiation of diamond: structural and spectroscopic investigations. Diam. Relat. Mater. 1999. V. 8. N 7. P. 1285–1290. DOI: 10.1016/S0925-9635(99)00118-1.
Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. N 18. P. 3865–3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A. Chemical accuracy for the van der Waals density functional. J. Phys. Condens. Matter. 2010. V. 22. N 2. P. 022201. DOI: 10.1088/0953-8984/22/2/022201.
Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A. Van der Waals density functionals applied to solids. Phys. Rev. B. 2011. V. 83. N 19. P. 195131. DOI: 10.1103/PhysRevB.83.195131.
Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B. 1996. V. 54. N 16. P. 11169–11186. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.11169.
Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. N 1. P. 15–50. DOI: 10.1016/0927-0256(96)00008-0.
Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium. Phys. Rev. B. 1994. V. 49. N 20. P. 14251–14269. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.14251.
Latham C.D., Heggie M.I., Gámez J.A., Suárez-Martínez I., Ewels C.P., Briddon P.R. The di-interstitial in graphite. J. Phys. Condens. Matter. 2008. V. 20. N 39. P. 395220. DOI: 10.1088/0953-8984/20/39/395220.
Heggie M., Eggen B.R., Ewels C.P., Leary P, Ali S. LDF calculations of point defects in graphites and fullerenes. Electrochem. Soc. Proc. 1998. V. 98–8. P. 60–67.
Xu P., Yang Y., Qi D., Barber S.D., Ackerman M.L., Schoelz J.K., Bothwell T.B., Barraza-Lopez S., Bellaiche L., Thibado P.M. A pathway between Bernal and rhombohedral stacked graphene layers with scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. N 20. P. 201601–201601. DOI: 10.1063/1.4716475.
