ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №4
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.4.12
УДК: 538.915
ПЕРВОПРИНЦИПНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ
СТАБИЛЬНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ
В.А. Грешняков, В.В. Павлик
Челябинский государственный университет,
454001, Челябинск, ул. Братьев Кашириных, 129
Статья поступила в редакцию 8 апреля 2026 г.
Аннотация. В данной статье проведено первопринципное исследование термической устойчивости восьми гипотетических алмазоподобных углеродных соединений, являющихся полупроводниками, в которых все атомные позиции являются кристаллографически эквивалентными. Имитация отжига структуры этих соединений была проведена в рамках молекулярно-динамического моделирования при использовании метода теории функционала плотности в обобщенно-градиентном приближении. Установлено, что фазы структурных типов TA1, TA3, CA1, CA2, TB и SA4 должны быть устойчивы при 300 К, поэтому материалы на их основе могут быть использованы при разработке электронных устройств. Структура гексагональной алмазоподобной фазы высокой плотности SA2 (hP3) разрушается с последующей аморфизацией, как минимум, при 200 К. Также установлено, что гипотетический ромбоэдрический алмазоподобный полупроводник LA9 (rh6) с минимальной запрещенной зоной неустойчив при 300 К. Отжиг структуры этой фазы приводит к разрыву наименее прочных межатомных связей с ее последующей трансформацией в одну из двух новых упорядоченных фаз, кристаллические решетки которых имеют Cmmm и R3m симметрию. Ромбическая фаза Cmmm является гибридной и состоит из 3- и 4-координированных атомов углерода в соотношении 1:2, тогда как ромбоэдрическая R3m фаза состоит только из 3-координированных атомов. Фазы R3m и Cmmm должны быть проводниками с промежуточной плотностью от 2.5 до 3.1 г/см3 и размерами максимальных пор, не превышающих 4.15 Å. Анализ порошковых рентгенограмм показал, что набор дифракционных максимумов двух новых фаз значительно отличаются от таковых для гексагонального графита и фазы LA9 и, что может быть использовано для идентификации фаз Cmmm и R3m в углеродных материалах, а также при изучении конфигурационного перехода LA9 в новые кристаллические фазы.
Ключевые слова: полиморфные разновидности алмаза, кристаллическая структура, молекулярно-динамические расчеты.
Финансирование: исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Челябинской области (грант ГЗ № 075-00186-26-00).
Автор для переписки: Грешняков Владимир Андреевич, greshnyakov@csu.ru
Литература
1. Шулепов С.В. Физика углеродных материалов. – Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1990.
2. Neves A.J., Nazare M.H. Properties, growth and applications of diamond. – London: Institution of Engineering and Technology, 2001.
3. Donnet C., Erdemir A. Tribology of diamond-like carbon films: Fundamentals and applications. – New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2008.
4. Kastuar S.M., Liu ZL., Najmaei S., Ekuma C. E. Mechanical properties of cubic boron nitride and diamond at dynamical pressure and temperature. // Applied Physics Letters. – 2023. – V. 123. – No. 4. – Art. No. 232102. https://doi.org/10.1063/5.0172885
5. Wang C., Shinyavskiy D., Suter L., Altikriti Z., Jia Q., Muehle M., Seo JH. Mechanical and Electrical Properties of Free-standing Polycrystal Diamond Membranes. // Advanced Science. – 2025. – V. 12. – Art. No. e03986. https://doi.org/10.1002/advs.202503986
6. Sang L. Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices. // Functional Diamond. – 2021. – V. 1. – No. 1. – P. 174-188. https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1980356
7. Pierson. H.O. Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: properties, processing, and applications. – New Jersey: Noyes, 1993.
8. Belwanshi V., Topkar A. Quantitative analysis of MEMS piezoresistive pressure sensors based on wide band gap materials. // IETE Journal of Research. – 2019. – V. 68. – No. 1. – P. 667-677. https://doi.org/10.1080/03772063.2019.1620641
9. Li A.C., Li B., Gonzalez-Cataldo F., Rudd R. E., Militzer B., Bringa E. M., Meyers M. A. Diamond under extremes. // Materials Science and Engineering R Reports. – 2024. – V. 161. – Art. No. 100857. https://doi.org/10.1016/J.MSER.2024.100857
10. Belenkov E.A., Greshnyakov V.A. Structure, properties, and possible mechanisms of formation of diamond-like phases // Physics of the Solid State. –2016. – V. 58. – No. 10. – P. 2145-2154. https://doi.org/10.1134/S1063783416100073
11. Грешняков В.А. Структура и свойства алмазоподобных углеродных нанотрубок. // Челябинский физико-математический журнал. – 2023. – Т. 8. – № 2. – С. 261-270. https://doi.org/10.47475/2500-0101-2023-18209
12. Tromer R.M., Ipaves B., Pereira Jr. M.L., Woellner C.F., Cai K., Galvao D.S. On the electronic, mechanical and optical properties of superhard cross-linked carbon nanotubes (tubulanes). // The Journal of Physical Chemistry C (J. Phys. Chem. C). 2026. V. 130. – No. 9. – P. 3624-3631. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c08652
13. Rysaeva L.Kh., Lisovenko D.S., Gorodtsov V.A., Baimova J.A. Stability, elastic properties and deformation behavior of graphene-based diamond-like phases. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 172. – Art. No. 109355. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109355
14. Baimova J.А., Rysaeva L.Kh., Rudskoy A.I. Deformation behavior of diamond-like phases: Molecular dynamics simulation. // Diamond and Related Materials. – 2018. – V. 81. – No. 4. – P. 154-160. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.12.001
15. Rysaeva L.Kh., Baimova J.A., Dmitriev S.V., Lisovenko D.S., Gorodtsov V.A., Rudskoy A.I. Elastic properties of diamond-like phases based on carbon nanotubes. // Diamond and Related Materials – 2019. – V. 97. – Art. No. 107411. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.04.034
16. Giannozzi P., Andreussi O., Brumme T. et al. QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2009. – V. 21. – No. 39. – P. 395502. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79
17. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. // Physical Review Letters. – 1996. – V. 77. – No. 18. – P. 3865-3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
18. Troullier N., Martins J.L. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations. // Physical Review B. – 1991. – V. 43. – No. 3. – P. 1993-2006. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.1993
19. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillonin-zone integrations. // Physical Review B. – 1976. – V. 13. – No. 12. – P. 5188-5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
20. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. – М.: Металлургия, 1982.
21. Грешняков В.А., Павлик В.В. Новые наноструктурированные углеродные соединения на основе графиновых слоев. // Челябинский физико-математический журнал. – 2025. – Т. 10. –№ 1. – С. 147-157.
22. Greshnyakov V.A., Pavlik V.V., Belenkov M.E., Kulakova E.A. Carbon clathrates C24, C28 and CA6: Structure formation and properties. // Letters on Materials. – 2026. – V. 16. – No 1. – P. 23-29. https://doi.org/10.48612/letters/2026-1-23-29
23. Desyatkin V.G., Martin W.B., Aliev A.E. et al. Scalable synthesis and characterization of multilayer γ-graphyne, New carbon crystals with a small direct band gap. // Journal of the American Chemical Society. –2022. – V. 144. – No. 39. – P. 17999-18008. https://doi.org/10.1021/jacs.2c06583
24. Ipatiew Wl., Huhn W. Pyrogenetische contactreactionen organischer verbindungen. // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. –1903. Bd. 36. – H. 2. – S. 2014-2016. https://doi.org/10.1002/cber.190303602114
25. Maier G., Pfriem S., Schafer U., Matusch R. Tetra-tert-butyltetrahedrane. // Angewandte Chemie International Edition. – 1978. – V. 17. – No. 7. – P. 520-521.
26. Katz T.J., Acton N. Synthesis of prismane. // Journal of the American Chemical Society. – 1973. – V. 95. – No. 8. – P. 2738-2739. https://doi.org/10.1021/ja00789a084
27. Kern F., Walters W.D. The thermal decomposition of cyclobutane. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 1952. – V. 38. – No. 11. – P. 937-942. https://doi.org/10.1073/pnas.38.11.937
28. Hutmacher H.-M., Fritz H.-G., Musso H. Tetraasterane, pentacyclo[6.4.0.02,7.04,11.05,10]-dodecane. // Angewandte Chemie International Edition. –1975. – V. 14. – P. 180-181. https://doi.org/10.1002/anie.197501801
29. Kryakvin N.V., Kurakin V.A., Kobernik T.N., Maslov M.M. DFT-based parameterization of a non-orthogonal tight-binding model for electronic band structure calculations of carbon and hydrocarbon materials. // Letters on Materials. –2025. – V. 15. – No. 4. – P. 362-368. https://doi.org/10.48612/letters/2025-4-362-368
30. Sheng X.-L., Yan Q.-B., Ye F., Zheng Q.-R., Su G. T-carbon: A novel carbon allotrope. // Physical Review Letters. – 2011. – V. 106. – Art. No. 155703. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.155703
31. Schultz P.A., Leung K., Stechel E.B. Small rings and amorphous tetrahedral carbon // Physical Review B. –1999. – V. 59. – No. 2. – P. 733-741. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.733
Для цитирования:
Грешняков В.А., Павлик В.В. Первопринципное исследование термической стабильности углеродных алмазоподобных соединений // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.4.12