Old Story New Tell: The Graphite to Diamond Transition Revisited
本文通过大规模分子动力学模拟揭示石墨到金刚石转变中晶核起源于晶界并沿[001]和[120]双方向择优生长，立方金刚石为动力学有利产物，六方金刚石以孪晶形式少量出现，并结合HR-TEM实验验证了共格界面关系，调和了长期争论并为微观结构工程提供原子尺度指导。
2020-03-13 cond-mat.mtrl-sci
(Meta-)stable reconstructions of the diamond(111) surface: interplay between diamond- and graphite-like bonding
基于有效多体Brenner势的清洁金刚石（111）表面的非晶格Grand Canonical蒙特卡罗模拟产生了与\emph{ab-initio}计算一致的$(2\times1)$ Pandey重建，并预测了新的亚稳态的存在，其能量非常接近，所有表面原子都以三重石墨键合。我们相信，通过考虑这种类型的碳特定的配置，可以解决这个表面的结构和电子性质的长期争论。
2000-03-18 cond-mat.mtrl-sci
Highly Boron-Doped Graphite and Diamond Synthesized From Adamantane and Ortho-Carborane under High Pressure
这项工作证明了使用金刚烷碳硼烷混合物作为前体生产具有高度硼掺杂的石墨和金刚石的高压方法的有效性。在8GPa和$1700 ^{o}C$下，石墨由金刚烷$C_{10}H_{16}$获得，而硼掺杂金刚石（2 × 2.5at.%）的微晶由金刚石（2 × 2.5at.%）获得。由金刚烷和邻碳硼烷$C_{2}B_{10}H_{12}$（原子比B：C = 5：95）的混合物合成。这一结果有力地说明了硼在高压合成金刚石中的催化活性。在低于7GPa的压力下，只有石墨由金刚烷和碳硼烷混合物合成。石墨化在相当低的温度（低于$1400 ^{o}C$）下开始，并且温度的增加同时增加硼含量和石墨晶格的质量。对材料结构的深入研究使我们能够假设在高硼浓度（> 1at.%）下，替代硼原子在石墨层中周期性地且彼此等距地分布。理论论证和模型从头计算证实了这一假设，并解释了实验观察到的硼浓度。
2021-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Detonation-induced transformation of graphite to hexagonal diamond
利用同步辐射X射线衍射技术研究了爆轰冲击条件下高取向热解石墨（HOPG）的结构演化。我们观察到形成的六角金刚石（lonsdaleite）在压力超过50 GPa，在定性协议与最近的气枪实验。第一性原理密度泛函计算表明，在单轴压缩下，向六方金刚石转变的能垒低于立方金刚石。最后，在高达>70 GPa时没有观察到立方金刚石形成的迹象。
2020-07-22 cond-mat.mtrl-sci
New Superhard Carbon Phases Between Graphite and Diamond
根据第一性原理计算的结果，提出了两种新的碳同素异形体（H-碳和S-碳），作为冷压缩石墨过程中石墨和金刚石之间的中间超硬相的可能候选物。H-碳和S-碳都比先前提出的M-碳和W-碳更稳定，并且它们的体积模量与金刚石的体积模量相当。H-碳是间接带隙半导体，具有4.459 eV的带隙，S-碳是直接带隙半导体，具有4.343 eV的带隙。冷压缩石墨的相变压力分别为10.08GPa和5.93GPa，与最近的实验报道一致。
2012-06-11 cond-mat.mtrl-sci
Diamond-to-graphite transformation under hypersonic impact
Rice University（莱斯大学）；Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；University of Brasília（巴西利亚大学）；University of Toronto（多伦多大学）；University of Houston（休斯顿大学）；State University of Campinas（坎皮纳斯州立大学）；Technical University Darmstadt (TUDa)（达姆施塔特工业大学）
本研究通过超声速冲击实验，发现金刚石在极端条件下通过相变转变为石墨，并揭示了冲击诱导相变及界面性质。
2026-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Nucleation mechanism for the direct graphite-to-diamond phase transition
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Johannes Gutenberg University Mainz（美因茨约翰内斯古腾堡大学）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
针对石墨直接转金刚石的实验现象与现有理论的不足，本研究采用从头算精度神经网络势开展大规模成核模拟，揭示了该相变的微观成核机制，为复杂碳基体系的结构转变研究提供了重要支撑。
2011-01-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Two semiconducting three-dimensional all-sp2 carbon allotropes
利用第一性原理方法研究了两种三维全sp2碳同素异形体sp2-金刚石和sp2-石墨的能量稳定性、动力学稳定性和电子性质。1992年，Michael O 'Keeffe预测了石墨的存在（Phys. Rev. Lett.，68，15，1992.）空间群为Pn-3 m（224），而空间群为Fd-3 m（227）的sp2-金刚石未见报道。结果表明，sp2-金刚石结构比K4-碳和T-碳结构更稳定，sp2-石墨结构比超硬M-碳、W-碳和Z-碳结构更稳定，振动性质计算表明两种结构都是动力学稳定的。有趣的是，sp2-金刚石和石墨都表现为半导体，这与以前提出的全sp2碳同素异形体相反。sp2-金刚石是直接带隙为1.66 eV的半导体，而石墨是间接带隙为2.89 eV的半导体。sp2-金刚石和石墨的低密度和完全的sp2构型在储氢、光催化剂和分子筛等方面具有潜在的应用前景。
2012-06-30 cond-mat.mtrl-sci
High-accuracy first-principles determination of the structural, vibrational and thermodynamical properties of diamond, graphite, and derivatives
在GGA-PBE水平上，结合密度泛函理论（DFT）的总能量计算和密度泛函微扰理论（DFPT）的晶格动力学，计算了金刚石、石墨和层状衍生物（石墨烯、菱面体石墨）的结构、动力学和化学性质.总体而言，非常好的协议被发现的结构特性和声子分散体，与石墨和相关的弹性常数和声子分散体的C/A比的例外。一旦选择实验c/a进行计算，C_33弹性常数和γ-A声子色散都与现有数据接近一致。通过准谐近似计算了材料的热膨胀、弹性模量和比热随温度的变化关系。石墨显示出独特的面内负热膨胀系数，在室温附近达到最小值，与实验非常吻合。石墨烯中的热收缩被发现是三倍大;在这两种情况下，ZA声学模式被证明是收缩的原因，直接体现了Lifshitz在50多年前预测的膜效应。
2004-12-22 cond-mat.mtrl-sci
Lonsdaleite: The diamond with optimized bond lengths and enhanced hardness
金刚石被称为最硬的物质，因为它具有超强的四面体sp3碳键框架。唯一的薄弱环节是它的立方解理面之间的（111）屈曲蜂窝层。压缩石墨单晶并加热到中等温度，我们合成了一种大块的、纯的、六方金刚石（朗斯代尔石），其扭曲的碳四面体缩短了其六方（001）弯曲蜂窝层之间的键，从而加强了它们的联系。我们观察到石墨（100）直接转变为六方晶系（002），石墨（002）直接转变为六方晶系（100）。我们发现，大块的朗斯代尔石具有优异的机械性能，维氏硬度HV = 164+/-11 GPa和124+/-13 GPa，分别在对应于原始石墨（001）和（100）表面的表面上测量。通过对原料石墨碳的提纯和高温高压合成条件的微调，可以进一步提高六方钙钛矿的性能。
2021-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Strength-dependent Transition of Graphite Under Shock Condition Resolved by First Principles
本研究通过第一性原理DFT训练的GNN模型，揭示了冲击强度决定石墨向六方或立方金刚石转变的机制，阐明了强度依赖的转变趋势。
2023-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Coexistence of sharp quasiparticle dispersions and disorder features in graphite
角分辨光电子能谱学（ARPES）对方位无序石墨的研究表明，准粒子沿径向的锐散与沿方位方向的完全无散共存。这种矛盾的共存可以解释在范霍夫奇异性的角密度的状态。此外，非色散的功能，在带的最大值和鞍点的能量进行了观察和可能的解释进行了讨论。这项工作开辟了一种可能性，研究层状材料的电子结构，即使在大单晶很难获得ARPES。
2005-06-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Recrystallization Characteristics of Catalytic Alloy and Graphite in Diamond Synthesis
本文首先考虑了触媒法合成金刚石过程中触媒合金和石墨在超高压高温条件下的再结晶特性。在金刚石合成催化过程中，金属在压力的作用下发生塑性变形，随着温度的升高发生再结晶。当催化金属再结晶时，石墨颗粒的形状在与催化剂接触的区域中为球形，而在与催化剂接触的区域中为任何形状。此外，我们还利用第一性原理方法计算了过渡金属元素与碳原子之间的相互作用，计算了过渡金属元素与碳原子之间的电子电荷密度分布和结合能。在确定晶格常数参数之后，我们通过从组成晶体的原子的总能量的总和中减去晶体的总能量并将其除以原子数来获得结合能。因此，从理论上分析了触媒对金刚石合成的影响。
2020-11-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Superconductivity in graphite-diamond hybrid
寻找新的高温超导体并深入研究其超导机理是凝聚态物理的重要内容。在一百万个大气压下发现近室温超导性，为超导体开创了一个新时代。然而，确定在近压或常压下具有可比超导性的材料的关键任务仍然存在。碳材料由于其结构的多样性和电子的可调节性，总是能带来有趣的惊喜。绝缘金刚石在掺杂或外界刺激下已达到超导状态。因此，寻找具有更高转变温度（Tc）的超导体仍然有很大的机会。在这里，我们报告了一个本征超导石墨-金刚石混合物通过第一性原理计算，其原子分辨率的结构特性已被实验确定最近。预测的Tc在环境压力下近似为39 K，并且应变激励可以进一步将Tc提高到42 K。与结处碳原子的面外振动相关的强电子-声子耦合在超导转变中起主导作用。我们的工作表明了碳材料作为高温超导体的巨大潜力，这必将吸引广泛的研究。
2021-11-27 cond-mat.mtrl-sci
Interplay of Mechanochemistry and Material Processes in the Graphite to Diamond Phase Transformation
众所周知，共价体系中分子内应变的表现加速了化学反应并打开了替代反应途径。对于分离分子和单分子过程，该过程被适度理解。然而，在凝聚态过程中，如相变，材料的性质和结构可能会影响典型的机械化学效应。因此，我们利用导向分子动力学在石墨中诱导出平面应变，并在恒定应变率下压缩系统以诱导相变。我们表明，平面外的应变允许相变开始在较低的压缩应变量。然而，与典型的机械化学结果相反，形成金刚石所需的压缩功和面外功的总和由于相变期间改变的缺陷形成过程而具有局部最小值。此外，这些改变的过程减慢了相变的动力学，从起始到总材料转变花费更长的时间。
2023-02-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Phase Transition Mechanism of Hexagonal Graphite to Hexagonal and Cubic Diamond: Ab-initio Simulation
我们采用从头算分子动力学模拟研究了高压下六方石墨（HG）到六方金刚石（HD）或立方金刚石（CD）的相变机理。从HG到HD的过渡被发现迅速发生在非常小的时间为0.2 ps，与大的合作位移的所有原子。我们观察到HG中原子的交替层分别以相反的方向滑动（1/3，1/6，0）和（-1/3，-1/6，0），沿着pm[2，1，0]方向约为0.7 μ m，同时垂直于a-b平面折叠约pm 0.25 μ m。从HG到CD的转变发生在更复杂的合作位移中。在这种情况下，六个连续的HG层分别沿着[0，1，0]、[-1，-1，0]和[1，0，0]成对地滑动1/3，同时如上所述起皱。我们还进行了计算的声子谱在HG在高压下，揭示软声子模式，可能有助于相变涉及的滑动和起皱的HG层。发现零点振动能和振动熵在使HG稳定到更高的压力（>10 GPa）和温度（<6 GPa）方面具有重要作用。
2021-02-22 cond-mat.mtrl-sci
Large scale simulation of quantum-mechanical molecular dynamics for nano-polycrystalline diamond
采用量子力学分子动力学模拟研究了纳米多晶金刚石的前驱体状态。用N阶模拟程序ELSES（http：//www.example.com）实现了10^5个原子的大规模模拟。www.elses.jp模拟从包含初始结构缺陷的金刚石结构开始，并导致石墨（sp^2）样和金刚石（sp^3）样区域的混合物作为纳米级域。我们推测，域是亚稳态的，是可能的候选人的前体结构。
2009-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Detection of acoustic phonons in carbon by Raman spectroscopy
Central European Institute of Technology, Brno University of Technology（中欧技术研究所，布尔诺理工大学）；Jilin Diamond Technology Research & Development（吉林钻石技术研发有限公司）
本研究通过拉曼光谱结合密度泛函理论计算，在石墨和金刚石中检测到声学声子，利用晶格非晶化和硼掺杂激活禁戒模式，并发现金刚石中类似石墨的无序，方法可推广至其他材料。
2026-09-23 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio study of the formation of transparent carbon under pressure
体心四碳（bct-碳）同素异形体已被预测为在压力下获得的透明碳多晶型物。模拟了从石墨到金刚石、M-碳和bct-碳的结构转变途径，发现石墨-bct转变的最低激活势垒。此外，由于其垂直的石墨烯状结构，bct-碳具有比金刚石更高的剪切强度。我们的研究结果提供了一个可能的解释通过冷压缩石墨的透明碳同素异形体的形成。我们还证实了这种同素异形体的硬度足以使金刚石开裂。
2010-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Evidence for temporary and local transition of sp2 graphite-type to sp3 diamond-type bonding induced by the tip of an atomic force microscope
人造金刚石是通过将石墨暴露在大约10 GPa的压力和大约2000 K的温度下而产生的。在这里，我们提供的证据表明，由原子力显微镜的尖端施加到碳化硅的碳缓冲层上的石墨烯上的压力可以导致石墨在原子尺度上暂时过渡到金刚石。我们进行原子力显微镜与CO终止提示和氧化铜（CuOx）提示图像石墨烯，并诱导结构转变。对于局部跃迁，DFT预测，当诱导石墨-金刚石跃迁时，克服了$\approx13$ \，nN的排斥势垒，随后是$\approx4$ \，nN的力减小。这种转变的实验证据是通过观察相对柔性的CO端头的悬臂振动中的三次谐波和刚性CuOx端头的力与距离曲线中的扭结来提供的。实验观察到的幅度约为200 μ m的三次谐波与幅度为$\pm 3$ μ m的力相吻合。如果假设当诱导转变时作用在尖端上的排斥力由尖端的增加的范德华吸引力补偿，则$\approx 10$ \，nN的大的排斥总力仅与实验相容，所述范德华吸引力是由于尖端和样品通过局部压痕的形状拟合。该转变将平坦的sp $^2$键改变为波纹状的sp $^3$键，导致石墨烯的基本单元中的两个基础原子的不同高度。这两种尖端类型显示出强烈的不对称性之间的两个基础原子的晶格时，使用大的排斥尖端力，诱导过渡。隧穿电流、频移和损耗的实验数据与所提出的转变相一致。实验还表明，原子力显微镜允许在原子尺度上进行高压物理学。
2022-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic and Kinetic Tests for Low-Pressure Metal-Flux Growth of Diamond, with an Extension to Cubic Boron Nitride
Institute for Basic Science (IBS)（基础科学研究院）；UNIST（蔚山科学技术院）
该研究探讨金刚石低压金属助熔剂生长的热力学与动力学条件，提出同位素分辨测试方法并拓展至立方氮化硼，为相关实验及模拟提供量化标准。
2026-08-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Monte Carlo simulations of measured electron energy-loss spectra of diamond and graphite: role of dielectric-response models
在这项工作中，我们比较的电子输运性质的Monte Carlo（MC）模拟与反射电子能量损失测量金刚石和石墨薄膜。我们评估了不同近似的介电响应对碳基材料表征的可观测值的影响。我们计算这些材料的频率依赖性介电响应和能量损失函数的两种方式：一个完整的从头算方法，在其中我们进行依赖于时间的密度泛函模拟的线性响应不同的动量转移，和一个半经典模型，基于德鲁德-洛伦兹扩展到有限动量的光学介电函数。从头计算的介电函数导致更好的协议与电子能量损失测量光谱方面广泛使用的德鲁德-洛伦兹模型。这种差异在绝缘体和半导体的光学极限（$\mathbf{q} \neq 0$）之外尤其明显，在这种情况下，单粒子激发变得相关。此外，我们表明，在不同的精度水平的能量损失函数的行为有显着的影响，对其他物理观测，如非弹性平均自由程和阻止功率在低能量区（$< 100$ eV），从而对MC模拟的准确性。
2016-12-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Current-induced nanogap formation and graphitization in boron-doped diamond films
采用强电流退火技术在掺硼纳米金刚石薄膜中制备纳米间隙和金刚石/石墨混合结构。使用反馈控制的电流退火程序产生低至1 nm的纳米尺寸的间隙。纳米间隙的特征在于使用扫描电子显微镜和电子传输测量。高温下产生的结构变化，实现电流退火过程中的焦耳加热，其特征在于使用拉曼光谱。在最大热积累点处观察到金刚石/石墨杂化结构的形成。
2012-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phonon hydrodynamics and ultrahigh-room-temperature thermal conductivity in thin graphite
碳的同素异形体，如金刚石和石墨烯，是最好的热导体。我们监测薄石墨的热导率的演变作为温度和厚度的函数，并发现高电导率，厚度和声子流体力学之间的密切联系。8.5微米厚的石墨在室温下的面内热导率为4300瓦/米-开尔文--这个值远高于金刚石，略高于同位素纯化的石墨烯。升温增强了在很宽的温度范围内的热扩散率，支持部分流体动力学声子流。我们观察到的热导率的增强与厚度的减小指向声子的面外动量和动量弛豫碰撞的分数之间的相关性。我们认为，这是由于极端的声子色散各向异性石墨。
2020-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Ultrafast formation of transient 2D diamond-like structure in twisted bilayer graphene
由于蜂窝中心的碳原子与相邻石墨烯片中的碳原子不匹配，理论家预测，当直接将石墨转化为sp3键合的金刚石时，需要滑动过程来形成AA，AB或ABC堆叠。在这里，使用扭曲的双层石墨烯，它自然提供AA和AB堆叠配置，我们报告了飞秒激光照射下的瞬态2D类金刚石结构（在对齐的石墨烯中没有观察到）的超快形成。这种光诱导的相变是由新的键长的外观1.94 A和3.14 A的时间依赖的微分对分布函数使用MeV超快电子衍射证明。分子动力学和第一性原理计算表明，sp3键在AA和AB堆积区成核，呈莫尔条纹。这项工作揭示了石墨到金刚石的直接转化机制，60多年来一直没有完全理解。
2021-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Etching of Photon Energy into Binding Energy in Depositing Carbon Films at Different Chamber Pressures
本文研究热丝化学气相沉积中腔室压力对碳膜沉积的影响，发现压力变化通过改变气体活化、碰撞及原子氢对光子的刻蚀作用，调控碳原子向石墨态或金刚石态转变，从而影响碳膜形貌、结构和生长速率。
2022-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Evidence for a pressure-induced phase transition of few-layer graphene to 2D diamond
我们揭示了在水存在下压缩的少层石墨烯的金刚石化机制，为压力诱导形成2D金刚石提供了有力的证据。高压拉曼光谱提供了5层石墨烯和石墨在4-7 GPa范围内发生相变的证据。压力诱导相是部分透明的，并使硅衬底凹陷。我们结合的理论和实验结果表明，一个渐进的顶部-底部金刚石化机制，与金刚石，一个2D铁磁半导体的形成相一致。石墨烯上的高压X射线衍射表明六方金刚石的形成，与遮蔽符合金刚烯的体积极限一致。
2019-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Lennard-Jones interatomic potentials for the allotropes of carbon
寻找合适的能准确描述材料晶体结构的原子间相互作用势是材料科学的重要课题之一。本文提出了几种由Lennard-Jones（LJ）势组成的原子间相互作用势来描述碳的同素异形体如金刚石和石墨的晶体结构和微观结构的演化。这些LJ势的有效性可以通过分子动力学（MD）模拟来检验。对于模拟系统的晶格识别，我们计算了原子与其近邻原子间夹角和原子间距离的分布函数，并检查了原子的排列。我们的模拟结果清楚地表明，我们已经成功地产生了金刚石和石墨结构的MD模拟和上述LJ势。
2018-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Ultra-hard rhombohedral carbon from crystal chemistry rationale and first principles
利用密度泛函理论，通过晶体化学结构和基态能量计算，报道了一种新的超硬菱面体碳rh-C4（或六方h-C12）.一个扩展的h-C12的六边形三维网络是由类似于h-C4 lonsdaleite（六边形金刚石）中的C4四面体形成的。rh-C4的电子能带结构具有绝缘体的特征，其Egap = 4 eV，类似于金刚石。从一组弹性常数的体积模量与lonsdaleite，和最大的维氏硬度（HV）与两种形式的金刚石的较大的值派生。
2021-04-02 cond-mat.mtrl-sci
Experimental Demonstration and Transformation Mechanism of Quenchable Two-dimensional Diamond
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Nanjing University（南京大学）；Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research（高压科学和技术先进研究中心）
本研究通过激光加热制备高质量二维钻石，揭示其转变机制及光学性质与sp3浓度的关系。
2025-12-15 cond-mat.mtrl-sci
The Microscopic Diamond Anvil Cell: Stabilization of Superhard, Superconducting Carbon Allotropes at Ambient Pressure
通过第一性原理计算预测了金属共价键合的碳同素异形体。它由$sp^3$碳框架组成，通过限制平行顺式聚乙炔链之间的距离来充当金刚石砧座单元。这些$sp^2$碳原子之间的距离使相金属化，并产生两个嵌套良好的几乎平行的带，跨越费米能级。计算表明，这一阶段是一个传统的超导体，与运动的$sp^2$碳的电子声子耦合的关键贡献者。$sp^3$碳原子赋予优异的机械性能，预计维氏硬度为48 GPa。该相在环境条件下是亚稳态的，可以通过将石墨冷压缩到40 GPa来制备。通过改变$sp^2$与$sp^3$的碳含量和掺杂，可以从该相衍生出具有可调超导和机械性能的多功能材料家族。
2022-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of a novel monoclinic carbon allotrope
在\emph{ab-initio}的最小跳跃结构搜索过程中发现了一种新的具有$P2/m$对称性的碳的同素异形体，我们称之为$M10$ -碳。这种结构被预测在高于14.4 GPa的压力下比石墨更稳定，并且纯粹由$sp^3$键组成。它具有很高的体积模量，几乎和金刚石一样硬。模拟的X射线衍射图的比较表明，从冷压缩石墨的实验结果有很好的协议。
2012-02-27 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Phase Behavior of Materials with Isotropic Interactions Designed by Inverse Strategies to Favor Diamond and Simple Cubic Lattice Ground States
我们使用分子模拟来构建两种最近引入的模型材料的平衡相图，这两种模型材料具有各向同性的软排斥对相互作用，其设计分别有利于金刚石和简单立方晶格基态，在广泛的密度范围内[Jain等人，软物质9 14（2013）]。我们采用自由能为基础的蒙特卡罗模拟技术，精确地跟踪晶体间和流体-晶体共存曲线。我们发现，这两种模型材料都显示出丰富的多晶型相行为，其特征在于对应于目标基态结构的稳定晶体，以及各种其他晶体（例如，六方和体心立方）相和多重入熔融转变。
2013-09-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Carbon phase diagram with empirical and machine learned interatomic potentials
在目前的工作中，我们详细介绍了如何多体势能景观的碳原子间的潜力，可以探索利用嵌套采样算法，允许计算他们的压力-温度相图高的压力。我们提出了一个比较三个原子间的潜力模型，Tersoff，EDIP和GAP-20，专注于他们的宏观性质，特别是在他们的熔融转变和识别的结晶稳定的固体结构，至少100 GPa。所研究的模型都是在较低的压力下冻结形成石墨结构，然后随着压力的增加形成金刚石结构。在Tersoff和EDIP模型的情况下，我们能够定位这些阶段之间的过渡。我们特别关注最先进的机器学习（ML）模型GAP-20，并计算了高达1 TPa的相图，以评估其预测能力，远远超出模型的拟合条件。相图显示出一个非常好的协议与实验相图高达200 GPa，尽管各种意想不到的石墨层间距。在此之上，嵌套采样确定了两种新的稳定固体结构，应变金刚石结构和800 GPa以上的应变六方密堆积结构。然而，这两个阶段的稳定性并没有通过DFT计算得到证实，这突出了进一步改进ML模型的潜在途径。
2022-08-20 cond-mat.mtrl-sci
First-principles prediction of altermagnetism in transition metal graphite intercalation compounds
School of Materials Science and Engineering, State Key laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai University（上海大学材料科学与工程学院、先进特种钢重点实验室）；Department of Physics, Materials Genome Institute, International Centre for Quantum and Molecular Structures, Shanghai University（上海大学物理系、材料基因组研究所、量子与分子结构国际中心）；CNR-SPIN c/o Università degli Studi dell'Aquila（意大利阿奎拉大学CNRS-SPIN研究所）；Laboratory of High Pressure Physics and Material Science, School of Physics and Physical Engineering, Qufu Normal University（曲阜师范大学物理与光电工程学院高压物理与材料科学实验室）
本研究通过第一性原理计算揭示了钒插层石墨插层化合物中交替磁性的存在，展示了其在自旋电子学中的应用潜力。
2025-11-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
D-carbon: A New sp3 Carbon Allotrope
我们采用从头计算方法研究了一种新的sp3碳晶相（空间群D2 h5，Pmma-斜方晶系）D-碳的结构、力学和电子性质。总能量计算表明，D-碳是积极的比以前提出的T6结构更有利。最先进的理论计算表明，这种新相在零压力下具有动力学、机械和热稳定性，并且在63.7 GPa以上比石墨更稳定。重要的是，计算表明，D-碳具有高的维氏硬度（86.58 GPa）和体积模量（369 GPa），这与金刚石相当。D-碳是一种半导体，其带隙为4.33 eV，低于金刚石的带隙（5.47 eV）。模拟的X射线衍射图是在令人满意的协议与以前的实验数据在烟囱或爆轰烟尘，表明它可能存在于标本。同样重要的是，已经研究了从金刚石到D-碳的可能过渡路径，表明了合成这种新相的可能方法。
2017-12-28 cond-mat.mtrl-sci
Crystal chemistry and ab initio investigations of ultra-hard dense rhombohedral carbon and boron nitride
菱形致密形式的碳rh-C2（或六方h-C6）和氮化硼rh-BN（或六方h-B3 N3）基于原始晶体化学方案衍生自菱形3R石墨，所述原始晶体化学方案以量子密度泛函理论内的最小能量基态计算的全晶胞几何优化为后盾。考虑到以扩展晶格为特征的整个六方设置，弹性常数的六方设置的计算提供了大体积模量的结果，即B 0（rh-C2）= 438 GPa，接近于金刚石的体积模量，并且B 0（rh-BN）= 369 GPa，接近于立方BN的体积模量。在三个当代模型的框架下进行的硬度评估使这两个阶段都被认为是超硬的。根据在六方布里渊区中计算的电子能带结构，3R石墨是小带隙半导体，与rh-C2相反，rh-C2的特征在于接近5 eV的大带隙以及两个BN相。
2021-04-22 cond-mat.mtrl-sci
The stability of a crystal with diamond structure for patchy particles with tetrahedral symmetry
模型各向异性粒子的相图与四个有吸引力的补丁在四面体的安排已计算在两个不同的值的范围内的潜力，与调查的条件下，可以形成金刚石晶体的目的。我们发现，金刚石相是从来没有稳定的，为我们的长期潜力。在低温和低压下，流体冻结成体心立方固体，该体心立方固体可以被视为两个互穿的金刚石晶格，在两个子晶格之间具有弱相互作用。在压缩时，取向有序的面心立方晶体变得比体心立方晶体更稳定，并且在较高温度下，塑性面心立方相通过由于取向无序而增加的熵而稳定。一个类似的相图被发现为较短的范围内的潜力，但在低温和低压下，我们也发现了一个区域，在该区域的金刚石相的体心立方相的青睐。相对于体心立方固体，金刚石结构的较高振动熵解释了为什么即使后一相的焓较低，它也是稳定的。对从晶种开始的金刚石结构的生长进行了一些初步研究。尽管金刚石相在长程模型中永远不会稳定，但流体与体心立方晶体之间以及流体与金刚石晶体之间的界面的直接共存模拟表明，在足够低的压力下，在这两种情况下，固体都很可能生长成金刚石晶体，尽管存在一些缺陷。这些结果突出了动力学效应在片状颗粒系统中金刚石晶体形成中的重要性。
2010-05-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Melting curve of face-centred-cubic nickel from first principles calculations
采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法计算了Ni在100 GPa下的熔化曲线。我们使用了两种互补的方法：i）与参考系的共存模拟，然后DFT和参考系之间的自由能校正，以及ii）使用包括1000个原子的模拟单元的直接DFT共存。计算的零压力熔化温度在$1637 \pm 10$ K下被略微低估（实验值为1728 K），并且在高压下显著高于金刚石砧座单元实验中的最近测量值[Phys. Rev. B { \bf 87}，054108（2013）]。用DFT方法计算了零压熔化斜率为$30 \pm 2$ K，与实验值28 K符合较好。
2013-07-15 cond-mat.mtrl-sci
A Systematic Approach to Generating Accurate Neural Network Potentials: the Case of Carbon
可负担得起的和广泛适用的原子间相互作用势的可用性是解锁现代材料建模的财富所需的关键。基于人工神经网络的方法产生的潜力是有前途的，然而，神经网络训练需要大量的数据，充分采样，从一个往往未知的势能面。在这里，我们提出了一个自洽的方法，是基于晶体结构预测形式主义和指导下的无监督数据分析，构建一个准确的，廉价的和可转移的人工神经网络的潜力。使用这种方法，我们构建了一个碳原子间势，并证明了它的能力，以重现第一原理的结果，金刚石，石墨和石墨烯的弹性和振动特性，以及能量排序和结构特性的范围广泛的结晶和非晶相。
2020-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Interface-dependent Phase Transitions and Ultrafast Hydrogen Superionic Diffusion of H2O Ice
Jilin University（吉林大学）；University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）；Zhejiang University（浙江大学）
研究通过结合神经网络和主动学习方法，揭示高压冰相中界面效应，发现界面可降低氢超离子转变温度并诱导bcc到fcc的相变，重新定义了冰的稳定性场。
2026-03-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Crystal chemistry and ab initio prediction of ultra-hard rhombohedral B2N2 and BC2N
新的超硬菱方体B_2N_2和BC_2N-或六方体B_6N_6和B_3C_6N_3-是基于图解2D => 3D转变机制的晶体化学原理从3R石墨衍生的。基于密度泛函理论（DFT）和交换相关（XC）效应的广义梯度近似（GGA）的计算，完全无约束的几何优化导致基态能量结构和作为能量-体积状态方程（EOS）的能量导出量。新的二元和三元相的特点是四面体堆积像金刚石，可视化与电荷密度表示，并说明离子的字符。一方面，立方BN和rh-B2N2之间的原子平均总能量相似，另一方面，菱形BC2N相对于立方和斜方晶形式具有更大的稳定性（在文献中从有利的C-C和B-N键合评估）。电子能带结构是绝缘体的特征，具有Egap~5 eV。两个相的特征在于大的体积和剪切模量以及非常高的硬度值，即HV（rh-B2N2）= 74 GPa和HV（rh-BC2N）= 87 GPa。
2021-03-11 cond-mat.mtrl-sci
Phase equilibrium of liquid water and hexagonal ice from enhanced sampling molecular dynamics simulations
本文采用增强采样分子动力学模拟研究了由TIP 4P/Ice原子间相互作用势模型模拟的液态水和冰Ih之间的相平衡。我们的方法是基于计算冰Ih液体自由能的差异，可逆地访问两个阶段的模拟。通过引入静态偏置电位作为序参量的函数，实现了可逆的相互转换。调整序参量使氧在冰Ih中结晶为六方金刚石结构。我们分析了系统尺寸对冰Ih-液体自由能差的影响，并在热力学极限下得到了270 K的熔化温度。这一结果与热力学积分（272 K）和共存模拟（270 K）的估计一致。由于序参量不包括有关质子坐标的信息，自发形成的固体构型包含如冰Ih所预期的质子无序。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Anomalous phase behavior of a soft-repulsive potential with a strictly monotonic force
我们研究了一个经典的粒子质点系通过一个严格凸的软排斥势相互作用的相行为，该势与文献中迄今为止所考虑的成对软化排斥势不同，缺乏一个向下或零曲率的区域。尽管如此，这种相互作用的特点是由两个长度尺度，由于存在一系列的粒子间的距离，其中的斥力增加，减少距离，比在相邻区域慢得多。我们调查，使用广泛的蒙特卡罗模拟结合准确的自由能计算，所考虑的系统的相图。我们发现，该模型表现出多重入区的流固共存线，一个非常丰富的固体多态性与固-固过渡，和水一样的异常。尽管各向同性性质的粒子间的潜力，我们发现，在该系统可以存在的晶体结构中，也有一些非布拉维晶格，如cI 16和金刚石。
2009-09-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Structural stability of Fe5Si3 and Ni2Si studied by high-pressure x-ray diffraction and ab initio total-energy calculations
我们进行了高压角色散X射线衍射测量Fe 5Si 3和Ni 2Si高达75 GPa。这两种材料通过固态反应大量合成。在实验所涵盖的压力范围内，没有观察到发生相变的证据。在此之上，Fe 5Si 3被发现各向同性压缩，而在Ni 2Si中观察到各向异性压缩。Ni 2Si沿c轴的线性不可压缩性在量级上与金刚石的线性不可压缩性相似。这一事实与Ni 2Si沿c轴的较高价电子电荷密度有关。所观察到的各向异性压缩的Ni 2Si也与Ni 2Si的层状结构，其中六方层的Ni 2+阳离子交替与石墨样层形成的（NiSi）2-实体。实验结果得到了支持的从头算总能量计算进行密度泛函理论和赝势方法。对于Fe 5Si 3，计算还预测了在283 GPa下从六方P63/mcm相到石榴石Fe 5Si 3 O 12中Fe和Si所采用的立方结构的相变。还报道了Fe_5Si_3和Ni_2Si的室温状态方程，并讨论了硅化铁的体积模量与其少数元素的配位数之间的可能关系。最后，我们报告这些结构，特别是预测的高压相Fe 5Si 3（阳离子子阵列在石榴石Fe 5Si 3 O 12），它可以来自尖晶石Fe 2SiO 4（Fe 6Si 3 O 12）的新的描述。
2008-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
