一種新型超硬碳結(jié)構(gòu)C20-T碳的第一性原理計(jì)算研究.pdf

1、碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，也是人類接觸到的最早的元素之一。由于碳元素之間能夠形成 sp、sp2和 sp3雜化鍵，所以它可以形成多種多樣的碳的同素異形體，這些碳材料在人們的生產(chǎn)生活和科研工作中發(fā)揮著重大作用。因?yàn)槌膊牧暇哂杏捕却?，?qiáng)度高，以及化學(xué)惰性等優(yōu)越的性能，所以超硬材料被廣泛的應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。而在所有的超硬碳材料中，金剛石是目前人們?cè)诘厍蛏习l(fā)現(xiàn)的天然存在的最硬的物質(zhì)，它具有很強(qiáng)的sp3雜化鍵，并已經(jīng)被用來滿足許多

2、工業(yè)需求，例如，切割、拋光、鉆具以及研磨等方面。在過去的幾十年里，大量的實(shí)驗(yàn)及理論工作都一直致力于發(fā)現(xiàn)新的超硬碳材料。這里，我們通過第一性原理計(jì)算，預(yù)測了一種穩(wěn)定的新型超硬立方碳結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有立方T對(duì)稱性和全sp3雜化鍵，因?yàn)檫@種三維超硬碳結(jié)構(gòu)的原胞包含20個(gè)碳原子，所以我們將這種新型碳結(jié)構(gòu)命名為C20-T碳。我們利用第一性原理計(jì)算，驗(yàn)證了該新型超硬碳結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。有趣的是，雖然C20-T碳在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)直

3、徑約為3?的大空腔，是一種多孔的碳結(jié)構(gòu)，但它的Vickers硬度卻高達(dá)72.76 Gpa。我們還模擬了這種超硬碳結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜，以便今后在實(shí)驗(yàn)中對(duì)這種新型碳結(jié)構(gòu)的確認(rèn)起到幫助作用。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　本文研究了一種新型三維超硬碳結(jié)構(gòu)C20-T碳的結(jié)構(gòu)特征和電子性質(zhì)。計(jì)算了C20-T碳的總能量隨體積變化的情況、聲子譜和彈性常數(shù)，并對(duì)其在1500 K的高溫下進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過對(duì)以上計(jì)算結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)C

4、20-T碳的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。通過計(jì)算和比較C20-T碳和其它一些碳同素異形體的Vickers硬度，我們發(fā)現(xiàn)C20-T碳的Vickers硬度比BC12碳和c-BN的還要高。同時(shí)，我們還計(jì)算了C20-T碳的理想強(qiáng)度（分為拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度），即最弱的拉伸或剪切滑移方向上最大的應(yīng)力值。我們計(jì)算得出的C20-T碳的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別為71.1 Gpa和54.5 Gpa，接近c(diǎn)-BN的理想強(qiáng)度。我們模擬了C20-T碳的X射線衍射圖譜，并與其它一