【摘 要】
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碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2017年被成功合成。因此,T-carbon作为理论预测与实验合成的完美结合,吸引了一大批研究者的目光。在本论文中,基于第一性原理计算,探究了 T-carbon在温度
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碳材料,如富勒烯、石墨烯和碳纳米管等自合成以来,就一直备受研究者们的关注。近年来,随着计算科学,计算能力以及实验设备和方法等迅猛发展,使得一系列性能各异的碳材料被预测并合成出来。T-carbon是于2011年理论预测的三维碳材料,并于2017年被成功合成。因此,T-carbon作为理论预测与实验合成的完美结合,吸引了一大批研究者的目光。在本论文中,基于第一性原理计算,探究了 T-carbon在温度以及一定浓度杂质原子影响下的结构演化行为。在T-carbon的结构演化过程中,会出现T-carbon到bct-C16的拓扑相变过程。基于T-carbon和bct-C16的结构,本文构建了力学和电学等性能优良的T5-carbon和fco-C6新型碳材料。研究发现T5-carbon有较好的力学和热学性能,而fco-C6是一种只存在两对外尔点的理想外尔半金属碳相。本文的主要研究内容如下:1)基于第一性原理分子动力学计算和键强分析发现,T-carbon在温度约500 K或者一定浓度的过渡金属原子掺杂下,会转变为一种相对稳定的拓扑节线环半金属bct-C16碳相。此外,通过对称性和低能有效k·p模型的分析,证实了 bct-C16拓扑节线环半金属的拓扑电子态是受中心反演和时间反演对称性保护的。综上,本文提供了两种通过T-carbon获得拓扑节线环半金属相bct-C16的方法,为实验上观察非平庸狄拉克节线型费米子提供了理论依据。2)通过第一性原理分子动力学计算结合键强分析发现T-carbon中碳四面体的存在会使晶体的稳定性降低,因此本文设想减少T-carbon晶体中碳四面体的浓度。本文通过将T-carbon晶胞中一半的碳四面体替换为单个碳原子,从而构建了T5-carbon的晶体结构。计算发现,与T-carbon相比,T5-carbon有更低的能量和更好的力学和热学性能,而且电子结构计算显示T5-carbon具有较小的电子和空穴有效质量。由于T5-carbon是一种间接宽带隙半导体,因此本文为了减小其带隙,分别采用Si和Ti原子替换其中的非四面体碳原子,得到了 SiC4和TiC4材料。计算结果表明,相比于间接带隙半导体T5-carbon,TiC4为直接带隙半导体,而且仍然具有很小的电子和空穴有效质量。值得注意的是,TiC4相比于锐钛矿TiO2具有更好的可见光吸收能力和合适的导带和价带电位,因此是一种良好的光催化候选材料。3)Weyl费米子是满足Weyl方程的一种费米子,之前的研究很少在碳材料中发现有Weyl费米子的存在。本文中,在T-carbon和bct-C16的启发下,搭建了一种螺旋碳三维网络结构,命名为fco-C6。Fco-C6结构中没有中心反演对称性和磁性,即存在时间反演对称性。结合电子能带结构的计算结果发现,在fco-C6的费米面附近存在两对价带顶和导带底的交点,表明了其Weyl费米子的特征。此外,通过对称性和低能有效k·p模型分析,证明了fco-C6中的Weyl点是受到时间反演对称性和两倍旋转对称性C2保护的。更为重要的是,这些对称性保护的外尔点非常靠近费米能级,这使得fco-C6几乎具有理想的非平庸表面态和费米弧。同时,由于碳元素的自旋轨道耦合极其微弱,且fco-C6中只有极少的两对Weyl费米子,表明了 fco-C6是在碳材料中观察Weyl费米子的理想材料。图[26]表[3]参[159]
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