Первопринципное исследование термической стабильности углеродных алмазоподобных соединений
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 TA 1, TA 3, CA 1, CA 2, TB и SA 4 должны быть устойчивы при 300 К, поэтому материалы на их основе могут быть использованы при разработке электронных устройств. Структура гексагональной алмазоподобной фазы высокой плотности SA 2 ( hP 3) разрушается с последующей аморфизацией, как минимум, при 200 К. Также установлено, что гипотетический ромбоэдрический алмазоподобный полупроводник LA 9 ( rh 6) 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 R 3 m симметрию. Ромбическая фаза Cmmm является гибридной и состоит из 3- и 4-координированных атомов углерода в соотношении 1:2, тогда как ромбоэдрическая R 3 m фаза состоит только из 3-координированных атомов. Фазы R 3 m 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 LA 9 и, что может быть использовано для идентификации фаз Cmmm и R 3 m в углеродных материалах, а также при изучении конфигурационного перехода LA 9 в новые кристаллические фазы.
- полиморфные разновидности алмаза
- кристаллическая структура
- молекулярно-динамические расчеты
Abstract (in English)
A first-principles study of thermal stability of carbon diamond-like compounds
This article presents a first-principles study of the thermal stability of eight hypothetical diamond-like carbon compounds, which are semiconductors with crystallographically equivalent positions of all atoms. Simulated annealing of the structures of these compounds was performed using molecular dynamics simulations using density functional theory in the generalized gradient approximation. It was found that phases of the TA 1, TA 3, CA 1, CA 2, TB , and SA 4 structural types should be stable at 300 K, therefore materials based on them can be used in the development of electronic devices. The structure of the high-density hexagonal diamond-like phase SA 2 ( hP 3) is destroyed with subsequent amorphization at least at 200 K. It was also found that the hypothetical rhombohedral diamond-like semiconductor LA 9 ( rh 6) with a minimum band gap is unstable at 300 K. Annealing the structure of this phase leads to the rupture of the weakest interatomic bonds with its subsequent transformation into one of two new structurally ordered phases, the crystal lattices of which have Cmmm and R 3 m symmetry. The orthorhombic phase Cmmm is a hybrid and consists of 3- and 4-coordinated carbon atoms in a 1:2 ratio, while the rhombohedral R3m phase consists only of 3-coordinated atoms. The R 3 m and Cmmm phases should be conductors with an intermediate density from 2.5 to 3.1 g/cm3 and maximum pore sizes not exceeding 4.15 Å. Analysis of powder X-ray diffraction patterns showed that the set of diffraction maxima of the two new phases differs significantly from those for hexagonal graphite and the LA 9 phase, which can be used to identify the Cmmm and R 3 m phases in carbon materials, as well as in studying the configurational transition of LA 9 into new crystalline phases.
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
Литература
- Шулепов С.В. Физика углеродных материалов. - Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1990.
- Neves A.J., Nazare M.H. Properties, growth and applications of diamond. - London: Institution of Engineering and Technology, 2001.
- Donnet C., Erdemir A. Tribology of diamond-like carbon films: Fundamentals and applications. - New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2008.
- 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
- 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
- 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
- Pierson. H.O. Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: properties, processing, and applications. - New Jersey: Noyes, 1993.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. - М.: Металлургия, 1982.
- 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.
- 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
- 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
- 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
- Maier G., Pfriem S., Schafer U., Matusch R. Tetra-tert-butyltetrahedrane. // Angewandte Chemie International Edition. - 1978. - V. 17. - No. 7. - P. 520-521.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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