Формирование нового алмазоподобного бислоя на основе графена 5-7
В.А. Грешняков, Е.А. Беленков
ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.076
Оригинальная статья
Аннотация: Выполнены первопринципные расчеты структуры и свойств орторомбического графена L5-7 и нового алмазоподобного бислоя, формируемого на его основе. Расчеты методом теории функционала плотности показали, что графен L5-7, состоящий из топологических дефектов Стоуна-Уэльса, должен устойчиво существовать при нормальных условиях, и его структура должна волнообразно гофрироваться. При сильном одноосном сжатии бислойного графена L5-7 может происходить формирование нового алмазоподобного бислоя DL5-7. Давление фазового перехода «L5-7 → DL5-7» составляет 10,1 ГПа, когда межслоевое расстояние в бислойном графене уменьшается до 1,61 Å. Этот бислой имеет орторомбическую кристаллическую решетку (pbam) с параметрами a=10,145 Å и b=5,270 Å. Элементарная ячейка бислоя DL5-7 pbam содержит 32 атома углерода. Длины связей изменяются в интервале от 1,5590 до 1,6226 Å, тогда как углы между связями принимают значения от 89,62 до 140,8°. Структура алмазоподобного бислоя должна быть стабильна до 270 К. Рассчитанные значения поверхностной плотности и разностной полной энергии этого бислоя относительно полной энергии алмаза равны 1,19·10-5 г/см2 и 1,31 эВ/атом, соответственно. Бислой DL5-7 pbam должен быть полупроводником с шириной прямой запрещенной зоны 1,63 эВ.
Ключевые слова: графен, топологические дефекты, алмазоподобный слой, первопринципные расчеты, кристаллическая структура
- Грешняков Владимир Андреевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры физики конденсированного состояния, физический факультет, ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
- Беленков Евгений Анатольевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры физики конденсированного состояния, физический факультет, ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
Ссылка на статью:
Грешняков, В.А. Формирование нового алмазоподобного бислоя на основе графена 5-7 / В.А. Грешняков, Е.А. Беленков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 76-84. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.076.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Geim, A.K. The rise of graphene / A.K. Geim, K.S. Novoselov // Nature Materials. – 2007. – V. 6. – I. 3. – P. 183-191. DOI: 10.1038/nmat1849.
2. Ивановский, А.Л. Графеновые и графеноподобные материалы / А.Л. Ивановский // Успехи химии. – 2012. – Т. 81. – Вып. 7. – С. 571-605. DOI: 10.1070/RC2012v081n07ABEH004302.
3. Бабичева, Р.И. Механические свойства двумерных sp2 – углеродных наноматериалов / Р.И. Бабичева, С.В. Дмитриев, Е.А. Корзникова, К. Жоу // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2019. – Т. 156. – Вып. 1 (7). – С. 79-86. DOI: 10.1134/S0044451019070083.
4. Беленков, Е.А. Структура, свойства и возможные механизмы формирования алмазоподобных фаз / Е.А. Беленков, В.А. Грешняков // Физика твердого тела. – 2016. – Т. 58. – Вып. 10. – С. 2069-2078.
5. Zhai, J. A review on the structure of cold-compressed graphite phase / J. Zhai, A. Wan, W. Wu // Modern Physics Letters B. – 2015. – V. 29. – № Supplement 1. – P. 1530011-1-1530011-16. DOI: 10.1142/S0217984915300112.
6. Bundy, F.P. The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994 / F.P. Bundy, W.A. Bassett, M.S. Weathers et al. // Carbon. – 1996. – V. 34. – I. 2. – P. 141-153. DOI: 10.1016/0008-6223(96)00170-4.
7. Грешняков, В.А. Исследование формирования лонсдейлита из графита / В.А. Грешняков, Е.А. Беленков // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2017. – Т. 151. – Вып. 2. – С. 310-321. DOI: 10.7868/S0044451017020092.
8. Баимова, Ю.А. Деформационное поведение трехмерных углеродных структур при гидростатическом сжатии / Ю.А. Баимова, Л.Х. Рысаева // Журнал структурной химии. – 2018. – Т. 59. – № 4. – С. 921-928. DOI: 10.26902/JSC20180419.
9. Geng, P. Atomistic insights on the pressure-induced multi-layer graphene to diamond-like structure transformation / P. Geng, P.S. Branicio // Carbon. – 2021. – V. 175. – P. 243-253. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.01.007.
10. Беленков, Е.А. Классификация структурных разновидностей углерода / Е.А. Беленков, В.А. Грешняков // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55. – Вып. 8. – С. 1640-1650.
11. Ohno, K. Exploration of carbon allotropes with four-membered ring structures on quantum chemical potential energy surfaces / K. Ohno, H. Satoh, T. Iwamoto, H. Tokoyama, H. Yamakado // Journal of Computational Chemistry. – 2019. – V. 40. – I. 1. – P. 14-28. DOI: 10.1002/jcc.25556.
12. Грешняков, В.А. Структура и устойчивость алмазоподобного тетрагонального слоя: первопринципные расчеты / В.А. Грешняков, Е.А. Беленков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 405-414. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.405.
13. Грешняков, В.А. Теоретическое исследование устойчивости и способов получения слоевых алмазоподобных наноструктур / В.А. Грешняков, Е.А. Беленков // Письма о материалах. – 2020. – Т. 10. – Вып. 4. - С. 457-462. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-4-457-462.
14. Deza, M. Pentaheptite modifications of the graphite sheet / M. Deza, P.W. Fowler, M. Shtogrin, K. Vietze // Journal of Chemical Information and Computer Sciences. – 2000. – V. 40. – I. 6. – P. 1325-1332. DOI: 10.1021/ci000010j.
15. Giannozzi, P. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2009. – V. 21. – №. 39. – P. 395502-1-395502-19. DOI: 10.1088/0953-8984/21/39/395502.
16. Hohenberg, P. Inhomogeneous electron gas / P. Hohenberg, W. Kohn // Physical Review. – 1964. – V. 136. – I. 3B. – P. B864-B871. DOI: 10.1103/physrev.136.b864.
17. Perdew, J.P. Generalized gradient approximation made simple / J.P. Perdew, K. Burke., M. Ernzerhof // Physical Review Letters. – 1996. – V. 77. – I. 18. – P. 3865-3868. DOI: 10.1103/physrevlett.77.3865.
18. Беленков, Е.А. Моделирование фазовых переходов графитов в алмазоподобные фазы / Е.А. Беленков, В.А. Грешняков // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60. – Вып. 7. – С. 1290-1297. DOI: 10.21883/FTT.2018.07.46111.363.
19. Pierson, H.O. Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: Properties, processing and applications / H.O. Pierson. – Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications, 1994. – 419 p.
20. Грешняков, В.А. Первопринципные расчеты углеродных бислоев с алмазоподобными структурами / В.А. Грешняков, Е.А. Беленков // Журнал структурной химии. – 2020. – Т. 61. – Вып. 6. – С. 887-895. DOI: 10.26902/JSC_id57675
21. Eaton, P.E. Pentaprismane / P.E. Eaton, Y.S. Or, S.J. Branca // Journal of the American Chemical Society. – 1981. – V. 103. – I. 8. – P. 2134-2136. DOI: 10.1021/ja00398a062.
22. Zhou, Y. Three new tetragonal superhard 3 sp carbon allotropes / Y. Zhou, X. Chen, S.-L. Liu, L.-H. Gan // Solid State Communications. – 2020. – V. 323. – Art. no. 114095. – 10 p. DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114095.