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《燕山大学》 2018年
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含sp杂化的新型碳理论设计与实验研究

刘玲玉  
【摘要】:本论文从理论设计和实验探索两方面对含有sp杂化的新型碳进行了研究。采用基于第一性原理的结构搜索软件CALYPSO进行新型碳的预测,通过材料计算软件Materials Studio中基于密度泛函理论的CASTEP模块、VASP和Quantum-ESPRESSO软件等计算其可能具有的机械性质、电学性质等。采用真空烧结和高温高压方法(六面顶压机和Rockland Research T-25压机),以纯石墨二炔为原料,探索其发生的相转变。结合CALYPSO程序和CASTEP模块,预测了一种新型三维sp-sp~2多孔碳同素异形体结构,命名为Tetra-carbon。Tetra-carbon具有四方晶系,由sp~2原子构成的螺旋链通过sp杂化原子连接起来的多孔结构组成。Tetra-carbon在热力学上具有比石墨二炔和卡宾碳更低的基态能,并且通过弹性常数和声子色散谱的计算验证了其机械和动力学稳定性。电学性质方面,Tetra-carbon是间接半导体材料,具有3.27eV的间接带隙。力学性质上,Tetra-carbon具有拉伸强度的各向异性,值得注意的是在[001]方向上的拉伸应变达到了0.64。同时结合B/G值、泊松比以及上述的拉伸应变,表明Tetra-carbon是一种具有良好可拉伸性的新型多孔碳材料。采用基于第一性原理的CALYPSO程序预测了一种新型sp-sp~2-sp~3杂化的三维碳结构,命名为m-C_(12),它是由起伏褶皱的多层石墨烯通过sp杂化的碳链连接起来的网状结构。m-C_(12)的基态能、弹性常数以及声子谱表明了其热力学、机械以及动力学稳定性。基于m-C_(12)独特的结构特征,以及能带结构,结合投影态密度分析其不同原子对费米面的电子贡献,发现m-C_(12)属于超导电性材料,其超导转变温度Tc为1.13K。此外分析B/G值和泊松比可知,m-C_(12)是具有韧性的材料。利用CALYPSO程序和CASTEP模块,预测了两种新型三方碳,分别命名为Trig-C_9和Trig-C_(15)。Trig-C_9和Trig-C_(15)具有三方晶系,可以看作是由sp~2杂化原子构成的螺纹通过sp杂化链连接起来的多孔网络结构。Trig-C_9具有比石墨二炔更低的基态能。Trig-C_9和Trig-C_(15)都表明了其热力、机械以及动力学上的稳定性。Trig-C_9和Trig-C_(15)均为间接带隙半导体,带隙值分别为2.70eV和1.25eV。通过杨氏模量的计算,发现两者均具有弹性各向异性,这起源于它们独特的螺纹结构特征。以石墨二炔为原料,在真空烧结炉中通过高温烧结处理,研究了石墨二炔随温度升高所发生的相转变,发现其在600°C、1100°C和1400°C温度烧结时有转变成新相的迹象;通过六面顶压机5GPa高压烧结发现石墨二炔在800°C、1400°C和1600°C温度条件下均发生类石墨化的转变;通过Rockland Research T-25压机10GPa、12GPa和15GPa压强1000°C条件烧结处理的石墨二炔转变为类石墨结构;15GPa 1200°C烧结石墨二炔转变成类金刚石结构;15GPa 1900°C烧结石墨二炔有向diamond-15R结构转变的迹象;15GPa 800°C和25GPa 800°C烧结石墨二炔有向新相转变的趋势,需进一步补充实验验证。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O613.71

【参考文献】
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