碳元素化學(xué)鍵的多樣性（sp1,sp2,sp3）使其可以形成豐富的異構(gòu)相,豐富異構(gòu)相所具備的豐富的性質(zhì)使得碳材料在生活中得到了非常廣泛的應(yīng)用。因此有關(guān)碳的研究一直是凝聚態(tài)和材料物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。同時(shí)隨著計(jì)算物理的不斷發(fā)展,理論預(yù)測指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成的手段成為當(dāng)前材料科學(xué)的有效研究途徑。本文基于密度泛函理論（Density functional theory,DFT）的第一性原理計(jì)算方法,通過自下而上的組裝方式構(gòu)建了兩種新奇碳異構(gòu)相,并就其穩(wěn)定性、力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)等開展了系統(tǒng)研究。以C16籠狀團(tuán)簇為組裝基元,設(shè)計(jì)出一種新型的三維低密度碳的異構(gòu)相（T-C56）。計(jì)算結(jié)果表明T-C56在能量、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)方面均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,而且比實(shí)驗(yàn)合成的T-carbon和C20-sc碳相穩(wěn)定。值得注意的是,T-C56雖為低密度碳相（2.72 g/cm3）,卻表現(xiàn)出超硬特性,維氏硬度達(dá)48.71 GPa。楊氏模量和理想強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果表明T-C56具有力學(xué)各向異性的特點(diǎn)。此外,通過電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算分析,我們發(fā)現(xiàn)T-C56是帶隙為3.18 eV（HSE06）的透明間接帶隙半導(dǎo)體。作為一種獨(dú)特的... 

【文章來源】：內(nèi)蒙古大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校

【文章頁數(shù)】：47 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１?（ａ）金剛石（ｂ）石墨（ｃ）?Ｃ６〇?（ｄ）碳納米管的結(jié)構(gòu)圖??

內(nèi)蒙古大學(xué)碩士學(xué)位論文??片段卷曲而成的碳相。除圖１．１?（Ｃ）所示的典型的富勒烯成員Ｃ６Ｑ，還有常見的Ｃ７Ｇ富勒烯，??以及小半徑的ｃ２Ｇ、ｃ２４、ｃ３６和大半徑的Ｃ２４Ｑ、Ｃ５４Ｇ等。隨著物理化學(xué)性質(zhì)的不斷深入研宄，??人們發(fā)現(xiàn)富勒烯在醫(yī)學(xué)方面存在潛在應(yīng)用。碳納米管（又稱巴克管）［４］由ｓｐ２雜化鍵形成，具??有比金剛石中ｓｐ３鍵更強(qiáng)的鍵合能。因此，碳納米管的機(jī)械、電子、光學(xué)等許多性質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)異，??如較髙的強(qiáng)度、獨(dú)特的電氣性能和較高的熱導(dǎo)性。??暴＊漏??圖１．２?（ａ）石墨烯，（ｂ）石墨丁炔和（ｃ）無定形碳的結(jié)構(gòu)圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?ｇｒａｐｈｅｎｅ?（ｂ）?ｇｒａｐｈｄｉｙｎｅ?ａｎｄ?（ｃ）?ａｍｏｒｐｈｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ??石墨烯ｈ結(jié)構(gòu)如圖１．２?（ａ），作為近年來被廣泛研宄和合成的碳同素異形體，是碳家??族學(xué)術(shù)圈中最熱的碳相之一。２００４年首次從石墨中機(jī)械剝離獲得石墨稀單層，Ａｎｄｒｅ?Ｇｅｉｍ和??Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ?Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ因此榮獲２０１０年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。ｓｐ２雜化形成的石墨烯由于擁有線性??Ｄｉｒａｃ態(tài)而表現(xiàn)出優(yōu)異的電輸運(yùn)特性。此外，由ｓｐ雜化和ｓｐ２雜化的碳原子構(gòu)成的石墨炔［１５］，??因其表現(xiàn)出與石墨烯相似的電學(xué)性能而被認(rèn)為是石墨烯未來微納米電子學(xué)領(lǐng)域中的有力競爭??對手。其中石墨丁炔電學(xué)性質(zhì)為半導(dǎo)體性，見圖１．２?（ｂ）。??無定型碳［１６］，在碳基材料中占據(jù)了不可小覷的比重。因其非周期性的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)而統(tǒng)稱??為無定型碳，包括煤、煙灰、木炭、活性炭、骨炭等。通常是通過熱解生成的產(chǎn)物。不過，??隨著技術(shù)手段的發(fā)展，能夠制造出真正的無定性碳，如

的對稱性，拓?fù)浒虢饘俚牟蛔兞慷x是采用的包圍交??叉點(diǎn)（線）的封閉流行上的波函數(shù)。本征拓?fù)浒虢饘俚哪軒Ы徊纥c(diǎn)（線）處，費(fèi)米面通常會(huì)??收縮到這些節(jié)點(diǎn)（線）上，費(fèi)米球體積將收縮為零，故此類系統(tǒng)被稱為半金屬。拓?fù)浒虢饘??（ＴＳＭ）根據(jù)動(dòng)量空間分配和節(jié)點(diǎn)簡并度可分為三類：狄拉克半金屬（ＤＳＭ：?Ｄｉｒａｃ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）、??外爾半金屬（ＷＳＭ：?Ｗｅｙｌ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）和節(jié)點(diǎn)線半金屬（ＮＬＳＭ：?Ｎｏｄａｌ－ｌｉｎｅ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ），具??體的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米能級(jí)示意圖如圖１．３［３Ｑ］。??Ｅｒ＾－ＥＦＸ?Ｅｆ＞０＜??〇?ｏ?〇〇ｃｓ＞??Ｎｏｒｍａｌ?ｍｅｔａｌ?ＤＳＭ?ＷＳＭ?ＮＬＳＭ??圖１．３普通金屬與三類拓?fù)浒虢饘伲ǖ依税虢饘�，外爾半金屬和�?jié)點(diǎn)線半金屬）費(fèi)米能級(jí)處的能帶結(jié)構(gòu)??示意圖（依次由左到右）??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｔ?ｔｈｅ?Ｆｅｒｍｉ?ｌｅｖｅｌ?ｏｆ?ｃｏｍｍｏｎ?ｍｅｔａｌｓ?ａｎｄ?ｔｈｒｅｅ?ｏｆ?ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ??ｓｅｍｍｉｍｅｔａｌｓ?（Ｄｉｒａｃ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ，?Ｗｅｙｌ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ?ａｎｄ?Ｎｏｄａｌ?ｌｉｎｅ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）?（ｆｒｏｍ?ｌｅｆｔ?ｔｏ?ｒｉｇｈｔ?ｉｎ?ｔｕｒｎ）??狄拉克半金屬（ＤＳＭ）作為拓?fù)浒虢饘僦械囊环N，其三維動(dòng)量空間中出現(xiàn)能帶交叉點(diǎn)（能??帶反轉(zhuǎn)）的特殊能帶結(jié)構(gòu)不能通過微擾打開帶隙，且十分穩(wěn)定。狄拉克半金屬能帶中所包含??的狄拉克點(diǎn)受到時(shí)間反演對稱性和晶體旋轉(zhuǎn)軸對稱性的保護(hù)，在時(shí)間反演對稱和空間反演對??稱系統(tǒng)中是十分穩(wěn)定的拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)


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