碳、硅和锗同素异构体的理论研究与高压合成

Novel metastable C,Si and Ge materials have potential applications,so,it has important scientific significance to research their structures, phase transitions and properties. The crystal structures of novel metastable C, Si and Ge phases will be designed by CALYPSO and CASTEP programs. The possible new structures of C,Si and Ge will be systematically investigated. Furthermore, the band structures, densities of state of electrons, mechanical properties, optical properties and the phase transformations of the new metastable phases will be predicted. Taking C60, carbon nanotubes, amorphous silicon and germanium as raw materials, new C， Si and Ge metastable phases will be synthesized under high pressure and high temperature by Rocklend T25 press. The effects of pressure, temperature, unloading rate and medium materials on the formation of metastable C, Si and Ge phases will be researched systematically. The crystal structures bond properties of the synthesized new C, Si and Ge crystals will be detected by XRD, TEM and Raman spectroscopy. The optical, electrical, thermal and other properties of new C, Si and Ge phases will be mesured by Physical Property Measurement System （PPMS）,etc.. Effects of crystal structures of the new C,Si and Ge phases on their functional properties will be studied.

新型碳、硅和锗亚稳材料具有潜在的应用前景，对这些亚稳相的结构、相变规律和性能进行研究具有重要的科学意义。采用CALYPSO和CASTEP程序对新型C、Si和Ge亚稳相进行晶体结构设计，对可能存在的C、Si和Ge的新结构进行系统研究，并进一步对这些亚稳相的能带结构、电子态密度、力学性质、光学性质、相变规律等进行理论预测。用C60、碳纳米管、非晶硅和锗为原料，采用Rocklend T25压机，在高温高压下合成新型C、Si和Ge亚稳相，系统地研究压力、温度、卸压速率和介质材料对C、Si和Ge亚稳相形成的影响规律。采用XRD、TEM和拉曼光谱等对所合成的新型C、Si和Ge亚稳相的晶体结构、价键结构进行测定，采用物理性能综合测试系统(PPMS)等对所合成的新型C、Si和Ge晶体的光学、电学、热学等性质进行测试，研究新型C、Si和Ge亚稳相的结构对其功能性质的影响。

在过去的研究中人们发现，最外层具有四个电子的碳族元素(C、Si和Ge)具有一些相似的结构、相变规律和性质。C、Si和Ge都有闪锌矿结构，闪锌矿结构的C、Si和Ge都是半导体材料，而且C、Si和Ge都具有丰富的同素异构变体；在高温高压下获得的Si和Ge的亚稳结构会随着卸压速率的不同而获得不同结构的亚稳相。新型碳、硅和锗亚稳材料具有潜在的应用前景，对这些亚稳相的结构、相变规律和性能进行研究具有重要的科学意义。.我们采用CALYPSO和CASTEP程序对新型C、Si和Ge亚稳相进行晶体结构设计，设计出系列具有直接带隙的Si晶体、硅的新型同素异形体-Si10、系列碳纳米管聚合晶体、超硬超强笼型碳等新结构，对这些新结构的能带结构、电子态密度、力学性质、光学性质、相变规律等进行了理论预测。.在实验上，我们采用Rocklend T25压机和金刚石对顶砧，在高温高压下合成出一种压缩玻璃碳材料和一种ST12锗材料。压缩玻璃碳同时具有高强度、高硬度、高弹性恢复和导电性。压缩玻璃碳的硬度与陶瓷材料相当（25-30GPa），而其弹性类似于橡胶（其弹性回复率高于70％），它的强度最高达9GPa，约5倍于常规金属和合金的强度，特别是它的比强度高达4600 kN•m•kg-1，比烧结金刚石、碳纤维、立方BN、SiC、B4C等材料的比强度高 2–4倍，这种压缩玻璃碳是航天飞行器和军事撞击防护领域潜在的理想材料；我们合成的高纯相ST12锗块材是一种具有0.59eV的间接带隙和0.74eV的直接带隙的半导体，这意味着ST12锗有望应用于红外光学器件中。.本项目发表资助号标注的学术论文13篇，其中一篇JACS、一篇Nat.Commun.、二篇Carbon；培养博士研究生5人，其中毕业3人；培养硕士研究生3人。