三维碳烯和碳炔晶体结构的第一性原理理论模拟计算研究

基本信息
批准号:11674364
项目类别:面上项目
资助金额:61.00
负责人:王建涛
学科分类:
依托单位:中国科学院物理研究所
批准年份:2016
结题年份:2020
起止时间:2017-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:李珍珍,廉朝胜,方文其,郭文祥
关键词:
碳炔晶体结构碳烯高压相变第一性原理计算
结项摘要

A wide range of properties of carbon materials is determined by the possibility of the existence of carbon atoms with four basic types of single, double, triple, and aromatic carbon-carbon bonds, which are closely related to the bonding configurations in ethane, ethene, ethyne, and benzene-type hydrocarbon structures. At ambient conditions, graphite is the thermodynamically most stable carbon configuration with two-dimensional (2D) benzenoid sp2 bonding network. Diamond, is the second most stable allotrope of carbon with all sp3 bonding state, forming a very rigid three-dimensional (3D) carbon network. Linear carbyne, which is related to polyyne-like unsaturated hydrocarbon with alternating single and triple carbon-carbon bonds, forms the simplest one-dimensional (1D) carbon chain. Under high compression graphite can transform to diamond or diamond-like sp3 carbon forms. Meanwhile, since the discovery of fullerenes, nanotubes, and graphene, considerable theoretical and experimental efforts have been made to search and assess new potential carbon allotropes. Intriguing among them are the so-called graphyne and graphdiyne, which are constructed by replacing one-third of the C-C bonds in graphene sheet with acetylenic (-C≡C-) or diacetylenic (-C≡C-C≡C-) linkages. Thus far, large-scale graphyne and graphdiyne films composed of sp+sp2 hybrid network have been successfully synthesized under laboratory conditions. However, the related 3D structures in all-sp2 bonding networks remain largely unexplored. Recently we identified by ab initio calculations a new type of 3D chiral framework structures of cR6, cT8 and rh6 carbene in all-sp2 bonding networks based on ethene-type planar pi-conjugation. These structures are found energetically more favorable than previously proposed carbene structures such as K4, H6 with twisted pi-bonds, and the new rh6 carbon has been confirmed experimentally in the morphed graphene nanostructures. These findings suggest a new approach to constructing covalent network structures. ..In present work, we perform by ab initio calculations a detailed study on the 3D carbene and carbyne structures: (1) we identify the possible crystalline structures of carbene and carbyne consisting of polyyne-like carbon chains or polycyclic aromatic hydrocarbons; (2) we study the possible pathway, structural stability and phase transformation under pressure; (3) we study the x-ray diffraction (XRD) patterns and Raman spectrum compared to the experimental data to understand the unconfirmed new carbon phases in recent experiments. The present study should establish new carbon phase and offer insights into its outstanding structural and electronic properties.

碳是自然界中最为广泛分布和存在的元素之一。其特有的碳碳单键、双键、三键以及苯基大π键赋予了碳元素结构的多样性和丰富的物理性质。随着人们对两维石墨烯、石墨炔以及三维金刚石结构的深入研究,三维碳烯和碳炔的研究已提到了日程。最近通过第一性原理模拟计算,我们较系统地研究了一维碳炔链在不同的折叠方式下形成三维碳烯晶体的机制,提出了一个新的由六折螺旋碳链构成的rh6碳烯晶体结构并被实验所验证。本项目拟在我们已有工作的基础上,深入探讨不同形态不同尺寸的碳原子链以及多环芳烃分子碎片通过乙烯型(>C=C<)碳碳双键结合构成碳烯和碳炔晶体结构的规律;通过第一性原理动力学模拟计算,从热力学和动力学两方面系统地研究三维碳烯和碳炔晶体的形成机制、结构稳定性与高压相变;通过和以往实验数据的比对分析,解释实验现象,提出新的碳结构,为实验提供理论支持与帮助。

项目摘要

碳是自然界中最为广泛分布和存在的元素之一,其特有的碳碳单键、双键、三键以及苯基大π键赋予了碳元素结构的多样性和丰富的物理性质。通过第一性原理计算,我们在碳烯和碳炔晶体结构的结构稳定性和物性研究方面取得了一系列重要进展:(1)发现具有all-sp2键的三维六角石墨烯碳结构tr32、tr50、tr98、以及由sp2-sp3杂化键构成的正交三维碳烯so-C12、oC24、oP16呈现nodal line拓扑半金属特性,进而发现具有sp2-sp3杂化键的体心正方bct-C40碳结构呈现一种新的nodal-net半金属特性;(2)将乙炔和丁二乙炔键插入到体心立方C8晶格中构建了两个新型具有sp1-sp3键三维碳炔结构。能带计算表明这些新的碳素异构体是半导体;(3)发现了多个由sp3键构成的超硬碳结构BC14、SC48、R16、O16、O32, 并解释了有关未确定的实验XRD结构;(4)通过三折形变(three-fold distortion)重构机制,由(6,0)和(9,0)碳纳米管得到了两个稳定的具有sp2-sp3杂化键和P63/mcm对称性的(6,0)-hp24和(9,0)-hp36三维碳结构,它们在拓扑学上分别对应于二维石墨烯和石墨炔,具有半导体特性。在此项目的支持下,共发表论文15篇,其中PRL 1篇, J. Phys. Chem. Lett. 1篇,Carbon 1篇,PRB 4篇,PCCP 3篇,JCP 1篇。这些研究增进了我们对碳及有关实验现象和物性的认识和理解。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

DOI:10.17521/cjpe.2019.0351
发表时间:2020
2

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
3

中国参与全球价值链的环境效应分析

中国参与全球价值链的环境效应分析

DOI:10.12062/cpre.20181019
发表时间:2019
4

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

DOI:10.5846/stxb201912262800
发表时间:2020
5

自流式空气除尘系统管道中过饱和度分布特征

自流式空气除尘系统管道中过饱和度分布特征

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.12.006
发表时间:2021

王建涛的其他基金

批准号:90403035
批准年份:2004
资助金额:12.00
项目类别:重大研究计划
批准号:11274356
批准年份:2012
资助金额:78.00
项目类别:面上项目
批准号:61501513
批准年份:2015
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51404030
批准年份:2014
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:10974230
批准年份:2009
资助金额:30.00
项目类别:面上项目

相似国自然基金

1

石墨碳高压相变的第一性原理动力学模拟计算研究

批准号:11274356
批准年份:2012
负责人:王建涛
学科分类:A2011
资助金额:78.00
项目类别:面上项目
2

半导体异质结中失配位错演化的第一性原理和分子动力学耦合模拟计算

批准号:10772062
批准年份:2007
负责人:孟庆元
学科分类:A1101
资助金额:26.00
项目类别:面上项目
3

缺陷石墨烯瓦斯吸附的第一性原理研究

批准号:11704307
批准年份:2017
负责人:王素芳
学科分类:A20
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
4

基于内电场实现CaZnOS体系光-力-电耦合和能量转换的原位晶体结构解析和第一性原理研究

批准号:51772185
批准年份:2017
负责人:张志军
学科分类:E0207
资助金额:60.00
项目类别:面上项目