Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 7 (Июль 2020), c. 781-798    ( к оглавлению , назад )

Дедуктивна молекулярна механіка алотропів вуглецю(Огляд)

І.В. Попов1,2, А.Л. Чугреєв1,2,3, Р. Дронсковскі3,4

1Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия

2Независимый московский университет, Москва, Россия

3Институт неорганической химии, Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Германия

4Шэньчжэньский институт передовых технологий Китайской академии наук, Шэньчжэнь, КНР
E-mail: andrei.tchougreeff@ac.rwth-aachen.de

Статья поступила в редакцию 21 февраля 2020 г., опубликована онлайн 26 мая 2020 г.

Abstract

The relative stability of diamond and graphite is readdressed from a new perspective of the deductive molecular mechanics. Unlike most theoretical studies done numerically, we use an analytic model to get an insight into fundamental reasons for quasi-degeneracy of these allotropes with very different bonding patterns. We derive the relative energies of the allotropes and prove several general statements about the structure of materials. Our analysis yields a quasi-degenerate electronic ground state for graphite and diamond at 0 K. Numerical estimates based on it are in an astonishingly good agreement with experimental data and recent results of numeric modeling, although obtained with a drastically smaller numerical effort. An extension of the proposed treatment to the allotropes of silicon proves to be very successful as well. Following similar lines, we extended the proposed treatment to the four-coordinated allotropes of carbon and developed the software package Adamas which is capable to calculate energies of allotropes and their elastic properties (elastic moduli). Similarly, to the case of diamond and graphene, some general statements could be proven within the deductive molecular mechanics setting. Specifically, it is shown that among the four-coordinated allotropes the cubic diamond structure represents the true minimum. In the cases of allotropes that contain some C–C bonds stronger than those in diamond, the energy gain is compensated by the mandatory presence of weaker bonds in the same allotrope finally leading to the overall increase of the energy relative to the diamond.

Анотація

Відносну стабільність алмазу та графіту переглянуто з нової точки зору дедуктивної молекулярної механіки. На відміну від більшості теоретичних досліджень, що проводяться чисельно, у роботі застосовано аналітичну модель для отримання уявлень про фундаментальні причини квазівиродженості цих алотропів з дуже різними схемами зв’язків. Виведено відносні енергії алотропів та доведено кілька загальних тверджень щодо структури матеріалів. Аналіз свідчить про квазівироджений основний електронний стан для графіту та алмазу при 0 К. Чисельні оцінки на його основі добре узгоджуються з експериментальними даними та нещодавніми результатами чисельного моделювання, всупереч тому, що їх отримано з істотно меншими обчислювальними затратами. Поширення запропонованого трактування на алотропи кремніютакож виявилося досить успішним. Підхід розширено для чотирьохкратних координованих алотропів вуглецю та розроблено пакет програм Adamas, за яким можна розраховувати енергії алотропів та їх пружні властивості (модулі пружності). У разі алмазу та графену деякі загальні формулювання можуть бути перевірено на етапі завантаження параметрів дедуктивної молекулярної механіки. Показано, що серед чотирикратних координованих алотропів кубічна структура алмазу являє істинний мінімум. У разі алотропів, в яких деякі C–C з в’язки виявляються більш міцними, ніж в алмазі, виграш в енергії компенсується обов’язковою присутністю в тому ж алотропному з’єднанні більш слабких зв’язків, що в підсумку призводить до загального збільшення енергії відносно алмазу.

Key words: алмаз, лонсдейліт, графіт, графен, квантово-хімічний розрахунок, гібридні орбіталі.