含sp杂化的新型碳理论设计与实验研究
发布时间：2020-11-18 13:37
本论文从理论设计和实验探索两方面对含有sp杂化的新型碳进行了研究。采用基于第一性原理的结构搜索软件CALYPSO进行新型碳的预测,通过材料计算软件Materials Studio中基于密度泛函理论的CASTEP模块、VASP和Quantum-ESPRESSO软件等计算其可能具有的机械性质、电学性质等。采用真空烧结和高温高压方法(六面顶压机和Rockland Research T-25压机),以纯石墨二炔为原料,探索其发生的相转变。结合CALYPSO程序和CASTEP模块,预测了一种新型三维sp-sp~2多孔碳同素异形体结构,命名为Tetra-carbon。Tetra-carbon具有四方晶系,由sp~2原子构成的螺旋链通过sp杂化原子连接起来的多孔结构组成。Tetra-carbon在热力学上具有比石墨二炔和卡宾碳更低的基态能,并且通过弹性常数和声子色散谱的计算验证了其机械和动力学稳定性。电学性质方面,Tetra-carbon是间接半导体材料,具有3.27eV的间接带隙。力学性质上,Tetra-carbon具有拉伸强度的各向异性,值得注意的是在[001]方向上的拉伸应变达到了0.64。同时结合B/G值、泊松比以及上述的拉伸应变,表明Tetra-carbon是一种具有良好可拉伸性的新型多孔碳材料。采用基于第一性原理的CALYPSO程序预测了一种新型sp-sp~2-sp~3杂化的三维碳结构,命名为m-C_(12),它是由起伏褶皱的多层石墨烯通过sp杂化的碳链连接起来的网状结构。m-C_(12)的基态能、弹性常数以及声子谱表明了其热力学、机械以及动力学稳定性。基于m-C_(12)独特的结构特征,以及能带结构,结合投影态密度分析其不同原子对费米面的电子贡献,发现m-C_(12)属于超导电性材料,其超导转变温度Tc为1.13K。此外分析B/G值和泊松比可知,m-C_(12)是具有韧性的材料。利用CALYPSO程序和CASTEP模块,预测了两种新型三方碳,分别命名为Trig-C_9和Trig-C_(15)。Trig-C_9和Trig-C_(15)具有三方晶系,可以看作是由sp~2杂化原子构成的螺纹通过sp杂化链连接起来的多孔网络结构。Trig-C_9具有比石墨二炔更低的基态能。Trig-C_9和Trig-C_(15)都表明了其热力、机械以及动力学上的稳定性。Trig-C_9和Trig-C_(15)均为间接带隙半导体,带隙值分别为2.70eV和1.25eV。通过杨氏模量的计算,发现两者均具有弹性各向异性,这起源于它们独特的螺纹结构特征。以石墨二炔为原料,在真空烧结炉中通过高温烧结处理,研究了石墨二炔随温度升高所发生的相转变,发现其在600°C、1100°C和1400°C温度烧结时有转变成新相的迹象;通过六面顶压机5GPa高压烧结发现石墨二炔在800°C、1400°C和1600°C温度条件下均发生类石墨化的转变;通过Rockland Research T-25压机10GPa、12GPa和15GPa压强1000°C条件烧结处理的石墨二炔转变为类石墨结构;15GPa 1200°C烧结石墨二炔转变成类金刚石结构;15GPa 1900°C烧结石墨二炔有向diamond-15R结构转变的迹象;15GPa 800°C和25GPa 800°C烧结石墨二炔有向新相转变的趋势,需进一步补充实验验证。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71
【部分图文】：
碳元素外层电子分布为 1s22s22p2。当受到外界能量激发时，外一个电子会被激发到 2p 轨道上，电子重新排布为 1s22s2px2py2pz，当电排时可以形成 sp、sp2、sp3等多种杂化成键方式，导致碳原子可以与几以多种方式成键相连，这些成就了碳元素千变万化的同素异形体家族界中，碳单质主要以石墨和金刚石 (图 1-1a 和 1-1b) 两种同素异形体形同层的碳原子完全由 sp2杂化形式构成共价键，每一个碳原子以三个共个原子相连，六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展层与层之间距离较大，以范德华力结合起来，对于同一层来说，碳原强，从而极难破坏，形成其高的熔点和稳定的化学性质；并且同一平各剩一个 π 轨道，它们相互重叠，电子自由，形成石墨导电导热特性全由 sp3杂化的碳原子构成，碳原子按四面体成键方式互相连接，碳与共价键很强；由于所有价电子均形成共价键，无自由电子，形成了金点高以及不导电的特性。(a) (b)
p 轨道互相重叠形成一个含 60 个 π 电子的闭壳层电子结构，因此和笼外都围绕着 π 电子云。最方便且大量生产 C60富勒烯的方法通，在低压氦气下蒸发石墨电极。正常条件下，C60分子结晶形成晶的面心立方富勒烯结构，密度为 1.72 g/cm3。C60及其衍生物在催化、光等诸多领域表现出独特的性能和应用前景。随着合成技术的发展多的富勒烯空心球形结构，比如小型的富勒烯 C20[4]、C24、C26[5]、(图 1-2b)，以及大型富勒烯 C84[8]C266[9]等。此外，还有多层壁球形 (图 1-3)[10, 11]。洋葱碳也叫同心壳富勒烯，被科学家们认为是很有它具有重要的光学和摩擦学性能，有人提出星际尘埃中可能存在洋收以 217.5nm 为中心的强紫外带；如已确认的二硫化钨和二硫化构具有良好的耐磨性能和润滑效果，洋葱碳也被认为是潜在的良好暂时还没有进行实验。C60及其他富勒烯的研究，激发了人们合成形体的兴趣。(a) (b)
图 1-4 碳纳米管的晶体结构Figure 1-4 Crystal structure of carbon nanotube二维同素异形体存在形式 (图 1-5)，具有单原子层大学物理学 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，成证实它可以单独存在，两人也因此共同获得 2010 年由单层碳原子排列成六方晶格的碳同素异形体，它是本结构元素，例如石墨、碳纳米管和富勒烯等。石墨原子和纯 sp2轨道杂化，它是公认最薄的材料，也是最的钢材还要高。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能墨烯的高强度，如果用一块面积 1 平方米的石墨烯做便可以承受一只一千克的猫[16]。石墨烯目前最有潜力造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透
【参考文献】
本文编号：2888778
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71
【部分图文】：
碳元素外层电子分布为 1s22s22p2。当受到外界能量激发时，外一个电子会被激发到 2p 轨道上，电子重新排布为 1s22s2px2py2pz，当电排时可以形成 sp、sp2、sp3等多种杂化成键方式，导致碳原子可以与几以多种方式成键相连，这些成就了碳元素千变万化的同素异形体家族界中，碳单质主要以石墨和金刚石 (图 1-1a 和 1-1b) 两种同素异形体形同层的碳原子完全由 sp2杂化形式构成共价键，每一个碳原子以三个共个原子相连，六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展层与层之间距离较大，以范德华力结合起来，对于同一层来说，碳原强，从而极难破坏，形成其高的熔点和稳定的化学性质；并且同一平各剩一个 π 轨道，它们相互重叠，电子自由，形成石墨导电导热特性全由 sp3杂化的碳原子构成，碳原子按四面体成键方式互相连接，碳与共价键很强；由于所有价电子均形成共价键，无自由电子，形成了金点高以及不导电的特性。(a) (b)
p 轨道互相重叠形成一个含 60 个 π 电子的闭壳层电子结构，因此和笼外都围绕着 π 电子云。最方便且大量生产 C60富勒烯的方法通，在低压氦气下蒸发石墨电极。正常条件下，C60分子结晶形成晶的面心立方富勒烯结构，密度为 1.72 g/cm3。C60及其衍生物在催化、光等诸多领域表现出独特的性能和应用前景。随着合成技术的发展多的富勒烯空心球形结构，比如小型的富勒烯 C20[4]、C24、C26[5]、(图 1-2b)，以及大型富勒烯 C84[8]C266[9]等。此外，还有多层壁球形 (图 1-3)[10, 11]。洋葱碳也叫同心壳富勒烯，被科学家们认为是很有它具有重要的光学和摩擦学性能，有人提出星际尘埃中可能存在洋收以 217.5nm 为中心的强紫外带；如已确认的二硫化钨和二硫化构具有良好的耐磨性能和润滑效果，洋葱碳也被认为是潜在的良好暂时还没有进行实验。C60及其他富勒烯的研究，激发了人们合成形体的兴趣。(a) (b)
图 1-4 碳纳米管的晶体结构Figure 1-4 Crystal structure of carbon nanotube二维同素异形体存在形式 (图 1-5)，具有单原子层大学物理学 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，成证实它可以单独存在，两人也因此共同获得 2010 年由单层碳原子排列成六方晶格的碳同素异形体，它是本结构元素，例如石墨、碳纳米管和富勒烯等。石墨原子和纯 sp2轨道杂化，它是公认最薄的材料，也是最的钢材还要高。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能墨烯的高强度，如果用一块面积 1 平方米的石墨烯做便可以承受一只一千克的猫[16]。石墨烯目前最有潜力造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 王雁宾;;地球内部物质物性的原位高温高压研究:大体积压机与同步辐射源的结合[J];地学前缘;2006年02期
相关博士学位论文 前1条
1 罗坤;硅和氮化硼新结构及性能的理论与实验研究[D];燕山大学;2017年
本文编号：2888778
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/2888778.html
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