Проведено исследование фазового перехода тетрагонального графена L 4-8 в базоцентрированную орторомбическую полиморфную разновидность алмаза LA7 методом теории функционала плотности. Анализ возможных способов формирования фазы LA7 показал, что ее структура может быть получена в результате сильного одноосного сжатия тетрагонального графита с упаковкой AB при давлении 42,5 ГПа. Расчеты также показали, что процесс этого структурного преобразования должен сопровождаться выделением энергии ~ 0,52

more »

... атом. Полиморфная разновидность алмаза LA7 может устойчиво существовать при нормальных условиях, так как величина потенциального барьера, разделяющего состояния, соответствующие графиту L 4-8 и фазе LA7, составляет 0,34 эВ/атом. Для экспериментальной идентификации фазы LA7 были рассчитаны теоретические рентгенограммы фазового перехода «графит L 4-8 -LA7». Ключевые слова: алмаз; графен; полиморфизм; структурообразование; компьютерное моделирование. Введение Углеродные материалы с алмазоподобной структурой должны обладать высокими механическими характеристиками, так как они состоят из углеродных атомов в состояниях sp 3гибридизации, связанных прочными ковалентными связями, и имеют трехмерную жесткосвязанную структуру [1-2]. К настоящему времени теоретически предсказана возможность существования нескольких десятков полиморфных разновидностей алмаза [2-9], из которых экспериментально получены только несколько фаз [2] . Поэтому необходим поиск путей экспериментального получения новых, теоретически предсказанных полиморфов алмаза. Одним из возможных способов синтеза может быть воздействие высокими давлениями на углеродные материалы с графитоподобной структурой. Такими исходными материалами могут быть фуллереновые конденсаты, жгуты углеродных нанотрубок и кристаллы графита [1, 2, 8] . Из разнообразных полиморфных разновидностей алмаза, согласно теоретическим оценкам, одной из наиболее устойчивых фаз должна быть фаза LA7, в которой все атомы находятся в кристаллографически эквивалентных позициях [2, 6]. Для исследования фазовых превращений в углеродных материалах разработана методика, позволяющая теоретически исследовать эти процессы [10]. В данной работе выполнены расчеты фазового превращения тетрагонального графита L 4-8 в полиморфную разновидность алмаза LA7. Методика расчетов Геометрически оптимизированные структуры и энергетические характеристики углеродных соединений были рассчитаны в программном пакете Quantum ESPRESSO [11] в рамках метода теории функционала плотности (ТФП). Расчеты были выполнены при использовании приближения локальной плотности (ПЛП) с функционалом обменно-корреляционной энергии Педью-Зангера [12] . Влияние ионных остовов учитывалось через сохраняющие норму псевдопотенциалы. В расчетах использовалась сетка 12×12×12 из k-точек. Разложение волновых функций по усеченному базисному набору плоских волн. Размерность набора базисных функций была ограничена значением отсечки кинетической энергии, равным 800 эВ. Рис. 4. Расчетные порошковые рентгенограммы углеродного материала, испытывающего структурное превращение из графита L4-8 в полиморф алмаза LA7: (а) графит L4-8 при нормальном давлении; (б) графит L4-8 при 28 ГПа; (в) фаза LA7 при 42,5 ГПа; (г) фаза LA7 при нормальном давлении Беленков Е.А., Теоретическое исследование фазового превращения тетрагонального Грешняков В.А. графена L4-8 в полиморфную разновидность алмаза LA7 Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика» 2017, том 9, № 3, С. 51-57 55 Заключение Таким образом, в работе методом ТФП-ПЛП выполнены теоретические расчеты фазового перехода тетрагонального графена L 4-8 в полиморфную разновидность алмаза LA7. В результате установлено, что фаза LA7 может быть получена из гексагонального графита L 6 при давлении, превышающем 160 ГПа. Однако из тетрагонального графита L 4-8 фазу LA7 возможно синтезировать при значительно более низком давлении ~ 42 ГПа. Очевидно, это связано с тем, что структура графеновых слоев L 4-8 находится в более напряженном состоянии по сравнению со структурой гексагонального графена. Поэтому фазовый переход графита L 4-8 в полиморф алмаза LA7 происходит при более низких давлениях по сравнению с давлениями фазового превращения из гексагонального графена. Следовательно, наиболее вероятный способ синтеза фазы LA7 заключается в сильном одноосном сжатии тетрагональной разновидности графита L 4-8 с упаковкой слоев AB при давлении ~ 42 ГПа. При таком фазовом переходе должно происходить изменение энтальпии ∆H = -0,52 эВ/атом и скачок плотности на 10 %. Давление, при котором может быть синтезирована фаза LA7, самое низкое по сравнению с давлениями, при которых возможно получение других алмазоподобных фаз [10, 14] . Авторы благодарят Фонд перспективных научных исследований ЧелГУ за финансовую поддержку исследования. Грешняков В.А. благодарит РФФИ за финансовую поддержку проведенного исследования (проект № 16-33-00030 мол_а). Литература