高压下碳的晶体结构与性质研究

通过第一性原理计算结合随机搜索或者遗传算法，预测轻元素体系碳的晶体结构，包括高压亚稳相；利用我们自己发展的变原胞Nudged Elastic Band 方法(VC-NEB)研究碳的同分异构体发生相变的具体路径和势垒，从原子(电子)层次阐明新材料(新结构)形成原因(动力学或者热力学因素占主导地位)及新颖物理现象的起源；研究新结构的力学、热学和光学性质，探索其规律，揭示相关材料尚未发现的其它物理性质及原因(如超硬、超导等)。

单质碳等有着丰富的相图，多个高温、高压相或者纳米材料，其晶体结构没有确定，形成过程(如相变)不清楚,它们某些性质显著改善的物理机制模糊。因此本项目主要研究高压碳的新结构与新性质，形成各种可能碳材料的势垒和相变路径等。系统研究了高压下碳的同分异构现象，基于第一性原理计算，从特定纳米结构出发，在高压下获得一种正交结构的碳亚稳相(Cco-C8)，其计算的体积弹性模量和硬度与金刚石相当，且模拟的X射线衍射与实验符合很好，较好的解释了前人的实验数据[PNAS 101, 13699 (2004)]，例如此相表现出力学强度的极大增强，从而能刻划金刚石对顶砧表面；进一步发现利用不同手性和管径的碳纳米管在高压下聚合成三维晶体的现象，预测了多个超硬、韧性好、动力学和热力学稳定的亚稳结构，其中某些晶体还表现出奇异的导电特性。这些工作发表在Phys. Rev. Lett. 107, 215502 (2011)， ACS Nano 5, 7226 (2011)上, 被Physorg.com，Asia Materials等杂志以“从碳纳米管束设计、合成新型超硬材料”，“碳材料：纳米管排队”为标题报道及转载。.发展和改进了vc-NEB方法[J. Phys. Condens. Matter 25, 145402 (2013)]，不仅在理论上完美重复了加州大学伯克利分校Steven G. Louie和Marvin L. Cohen教授等关于高压下石墨-立方金刚石的相变势垒和路径，而且发现了新的石墨-六方金刚石的相变路径：此路径最显著的特点是鞍点处出现sp2-sp3杂化键共存，意味着相变中Pi键到Sigma键的转变是局域、逐步进行的，相比传统的集体转变，新路径更合理、具有更低的势垒。利用该方法，系统研究了铅锌矿结构-岩盐结构、闪锌矿结构-岩盐结构等经典相变过程，证明了vc-NEB方法的普适性，如ZnO、GaN和AlN等[Comput. Phys. Commun. 184, 2111 (2013)]。.总结，以项目号(11174152)共发表SCI论文18篇(包括撰写论著章节2篇)。其中包括综合类一流杂志Science 1篇，物理学顶级期刊论文Physical Review Letters 3篇。化学、材料类顶级期刊论文JACS 1篇，Nano Letters 1篇， ACS Nano 1篇等。