【摘 要】
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碳元素及其同素异构体是物质世界最重要的元素之一,对人类社会有着举足轻重的影响。近年来,随着计算机性能的不断提高和第一性原理计算方法的快速发展,仅给定材料的化学组成和外部条件（如压力）,就能在理论上预测材料的基态和亚稳态结构。相较于实验上以试错为主的探索,理论上的模拟计算具有高效和低成本的特点。本论文利用基于粒子群优化算法的晶体结构预测软件CALYPSO预测了两种新型碳结构C72和oC16。采用基于
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碳元素及其同素异构体是物质世界最重要的元素之一,对人类社会有着举足轻重的影响。近年来,随着计算机性能的不断提高和第一性原理计算方法的快速发展,仅给定材料的化学组成和外部条件（如压力）,就能在理论上预测材料的基态和亚稳态结构。相较于实验上以试错为主的探索,理论上的模拟计算具有高效和低成本的特点。本论文利用基于粒子群优化算法的晶体结构预测软件CALYPSO预测了两种新型碳结构C72和oC16。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了这两种新型碳材料的结构、力学及电子性质。计算结果发现:C72结构由全sp2杂化键构成,是一种具有较低能量（仅比金刚石高0.16 eV/atom）、低密度的直接带隙半导体材料。oC16结构则由全sp3杂化键构成,是一种具有多孔、超硬特性的绝缘体材料。另外,本论文结合第一性原理计算方法和准谐德拜模型还研究了另一种新型碳材料TE-C36在高压下的结构、弹性性质、弹性各向异性、电子结构及热力学性质。结果表明压力对TE-C36的物理性质有显著的影响。应力作用下TE-C36的弹性常数、弹性模量及泊松比的值均随应力增加而增大,而其硬度及禁带宽度则表现出相反的变化特征。本论文的研究结果可为未来实验合成以及应用这些新型碳材料提供指导。图[37]参[138]。
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