Phagraphene: A Low-energy Graphene Allotrope composed of 5-6-7 Carbon Rings with Distorted Dirac Cones
使用系统进化结构搜索，我们提出了一种新的碳同素异形体，phagraphene，代表penta-hexa-hepta-graphene，因为该结构由5-6-7个碳环组成。这种二维（2D）碳结构的能量低于大多数预测的2D碳同素异形体，因为它的sp2杂化和原子堆积密度与石墨烯相当。更有趣的是，phagraphene的电子结构扭曲了狄拉克锥。进一步证明了方向相关锥具有可调费米速度的抗外应变能力。
2015-06-16 cond-mat.mtrl-sci
A potential superhard carbon allotrope: T5-carbon
利用第一性原理计算预测了一种新的稳定碳同素异形体。这种同素异形体是通过用碳四面体取代金刚石原始晶胞中的两个原子中的一个而获得的，因此它在一个原始晶胞中包含五个原子，称为T5-碳。在结构、热、振动和能量计算中检查T5-碳的稳定性。电子，热，和机械性能的计算表明，T5-碳是一个半导体的间接带隙为3.18 eV，并具有409 W/mK的晶格热导率。更重要的是，T5-碳的维氏硬度为76.5 GPa，低于金刚石，但大于T-碳和立方氮化硼，证实了T5-碳的超硬性能，表明其在机械装置中的广泛应用。
2020-05-07 cond-mat.mtrl-sci
PAI-graphene: a new topological semimetallic two-dimensional carbon allotrope with highly tunable anisotropic Dirac cones
利用进化算法预测晶体结构，提出了一种新的稳定的二维碳同素异形体，即PAI-石墨烯，它是由聚合的不对称引达省（PAI）以锯齿形排列组成的，其能量低于大多数已报道的石墨烯的二维同素异形体。最重要的是，晶体结构实现了一个非对称层组，该层组使能带结构具有非平凡的全局拓扑结构，其中两个狄拉克锥完美地位于费米能级。不存在电子/空穴袋使得PAI-石墨烯成为具有各向异性费米速度的原始结晶拓扑半金属，所述费米速度具有高值$7.0 \times 10^{5}$ m/s。我们发现，虽然半金属属性的同素异形体是强大的应变的应用程序，狄拉克锥和费米速度的位置可以修改显着应变。此外，通过组合沿x和y方向的应变，在$Γ$处发生两个能带反转，导致狄拉克节点的湮灭，证明了拓扑半金属到半导体的应变控制转换的可能性。最后，我们制定的散装边界对应的拓扑节点相的形式，一个广义的扎克相参数找到一个完美的协议与拓扑边缘状态计算不同的边缘终端。
2020-07-23 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Four superhard carbon allotropes: First-principle study
利用广义遗传算法，我们提出了四个新的sp3碳同素异形体5-6-7（5-6-7型Z-ACA和Z-CACB）或4-6-8（4-6-8型Z4-A3 B1和A4-A2 B2）的碳环。利用第一性原理方法系统地研究了它们的稳定性、力学和电学性质。我们发现，所有这四个碳同素异形体显示出惊人的稳定性相比，最近提出的碳相。ZACA和Z-CACB都是直接带隙半导体，带隙分别为2.261 eV和4.196 eV。而Z4-A3 B1和A4-A2 B2是间接带隙半导体，带隙分别为3.105 eV和3.271 eV。它们的力学性能表明，这四种碳同素异形体都是可与金刚石相媲美的超硬材料。
2012-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Families of superhard crystalline carbon allotropes induced via cold-compressed graphite and nanotubes
本文报道了通过对由锯齿链和扶手椅链堆积而成的奇5+7或偶4+8元碳环的拓扑分析，系统地构造两类冷压石墨超硬sp3碳同素异形体结构族的一般方案。我们的研究结果表明，以前提出的M，bct-C4，W和Z同素异形体属于我们目前提出的家庭，并根据天然碳环的拓扑结构排列的许多其他成员被发现，可以帮助我们了解冷压缩石墨和碳纳米管（CNT）的结构相变。特别是，我们预测存在两个简单的同素异形体，R-和P-碳，这与实验的冷压缩石墨和碳纳米管的X射线衍射图案相匹配，分别显示透明的宽禁带绝缘体基态，并具有大的维氏硬度与金刚石相媲美。
2012-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Novel Two-dimensional Carbon Allotrope with Strong Electronic Anisotropy
基于第一性原理计算，提出了两种新型的二维碳同素异形体，分别由八边形和五边形组成。两种碳同素异形体OPG-L和OPG-Z具有不同的性质。OPG-L是金属的，而OPG-Z是无间隙的半金属。值得注意的是，OPG-Z表现出明显的电子各向异性，在费米能级具有高度各向异性的狄拉克点。提出了一个描述低能准粒子的紧束缚模型，阐明了各向异性狄拉克点的起源。OPG-Z的这种各向异性的电子特性有望在纳米电子学中具有广泛的意义。
2013-02-08 cond-mat.mtrl-sci
C5 as simplest ultrahard allotrope with mixed sp2/sp3 carbon hybridizations from first principles
从晶体化学理论和密度泛函理论计算出发，提出了一种新的四元碳C5作为最简单的超硬同素异形体，具有混合杂化碳杂化（sp2 - sp3）。新的pentacarbon被确定为动态和机械的内聚和稳定。而电荷密度是本地化的四面体C-sp3，它被发现离域周围的三角C-sp2导致金属行为。由沿四面体轴排列的三角碳引起的各向异性结构特征提供了接近金刚石量级的高维氏硬度
2022-10-09 cond-mat.mtrl-sci
A Nonzero Gap Two-Dimensional Carbon Allotrope from Porous Graphene
石墨烯被认为是未来电子领域最有前途的材料之一。然而，在其原始形式下，石墨烯是一种无间隙材料，这对其在某些电子应用中的使用施加了限制。为了解决这个问题，人们尝试了许多方法，如物理和化学功能化。这些方法损害了一些期望的石墨烯性质。本文基于量子分子动力学理论，通过对多孔石墨烯的选择性脱氢反应，得到了一种二维碳同素异形体--联苯碳（BPC）。BPC呈现非零带隙和良好的离域前线轨道。还讨论了BPC的合成路线。
2012-06-25 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.comp-ph
Superhard sp3 carbon allotropes with odd and even ring topologies
四个sp3碳同素异形体与6，8，和16个原子，每个原始细胞已被派生使用的metadoptics模拟和拓扑扫描相结合。发现手性正交相oC 16（C2221）比单斜M-碳更硬，并且在高压范围内显示出优异的稳定性。在\sim 9 GPa下，可以由石墨形成Cmmm对称的第二正交相，其能量比W-碳低\sim 0.028 eV/原子。通常，发现压力下的机械响应取决于结构拓扑，其反映了从初始石墨烯层堆叠形成环的方式。
2012-06-23 cond-mat.mtrl-sci
New carbon allotropes in sp + sp$^3$ bonding networks consisting of C$_8$ cubes
我们通过从头计算确定了一种新型的三维碳同素异形体，通过插入炔键或二炔键到体心立方C $_8$晶格。所得的由C $_8$立方体组成的$sp+sp^3$ -杂化立方烷-炔和立方烷-二炔结构可以表征为线性碳链的立方结晶变体，但在能量上比最简单的线性碳炔链和由C $_4$四面体组成的立方四面体金刚石和炔-金刚石更有利。电子能带计算表明，这些新的碳同素异形体是半导体的间接带隙为3.08 eV的立方烷炔和2.53 eV的立方烷二炔。目前的研究结果建立了一种新型的碳相组成的C $_8$立方体，并提供其出色的结构和电子性能的见解。
2017-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Comment on "Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 atoms"
在最近的一封信中[1] Y。Fujii等人提出了一种新的碳同素异形体，并声称其极高的杨氏模量和剪切模量分别为1691和1113 GPa，超过金刚石的1.5倍和2倍！作者还声称这种碳改性的独特的负平均泊松比为-0.24，体积模量为381 GPa，声速记录值为28.7 km/s。在这里，我们通过两个独立的计算表明，这些值是作为误差的结果而获得的。新的假设的同素异形体实际上具有相当适度的弹性模量，对于具有类似密度的碳结构来说不显著：体积模量为250 GPa，剪切模量为170 GPa，杨氏模量为417 GPa，正泊松比为0.22。
2020-07-17 cond-mat.mtrl-sci
Optical properties of lowest-energy carbon allotropes from the first-principles calculations
在密度泛函理论的一般梯度近似下，研究了低能碳同素异形体在红外、可见光和紫外光区的光学性质。在我们的计算中，我们使用了全电子方法以及赝势近似。在红外区，用CRYSTAL 14程序计算了复介电函数、红外光谱和拉曼光谱。用VASP程序计算了可见光和紫外光范围内的电子性质和能量依赖的介电函数。我们已经很准确地描述了立方金刚石晶体的光学性质。利用得到的一组相关参数进行计算，我们预测了最低能量的假设碳同素异形体和朗斯代尔石的光学常数，介电函数和拉曼光谱。
2017-06-22 cond-mat.mtrl-sci
Novel λ^3-Iodane Based Functionalization of Synthetic Carbon Allotropes (SCAs) - Common Concepts and Quantification of the Degree of Addition
碳同素异形体的共价功能化是纳米材料领域的一个重要课题。然而，功能结构的发展受到各自起始材料的固有多聚性、引入的功能部分的明确表征和官能化程度的准确测定的阻碍。基于一种新的碳同素异形体官能化反应，利用λ^3-碘烷作为自由基前体系统，我们能够通过TG-GC/MS证明分离和定量热分离官能团的可行性，这些官能团以前与碳纳米管和石墨烯共价连接。
2018-05-06 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Three-dimensional Pentagon Carbon with a genesis of emergent fermions
碳是我们宇宙的基本组成部分，具有大量的同素异形结构。由于其成键特性，大多数碳同素异形体具有六方环的图案。在这里，与第一性原理计算，我们发现了一个新的亚稳三维碳同素异形体完全由五边形环。这种“五角碳”的独特结构导致了非凡的电子特性，使其成为涌现的拓扑费米子的聚宝盆。在晶格应变下，五角碳表现出拓扑相变，产生一系列新的准粒子，从同位旋-1三重态费米子，到三重态简并费米子，再到串联的Weyl环费米子。它的朗道能级谱也表现出明显的特征，包括大量的几乎简并的手征朗道带，这意味着明显的磁输运信号。我们的工作不仅发现了一个显着的碳同素异形体与非常罕见的结构图案，它也揭示了一个迷人的层次粒子成因与新的拓扑费米子超越狄拉克和外尔范式。
2017-06-11 cond-mat.mtrl-sci 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
Electronic and optical properties of novel carbon allotropes
采用第一性原理计算研究了新型碳同素异形体，如单层五元石墨烯（PG）、双层PG和T12碳的声子性质、电子结构和光学性质.声子计算的结果表明，这些外来的碳同素异形体是动态稳定的。此外，体T12相是间接带隙半导体，具有约4.89 eV的带隙。而体材料转变为2D相，单层和双层PG成为准直接带隙半导体，其带隙分别为~2.64 eV和~ 3.27 eV。此外，部分电荷密度分析表明，2D相保留了T12相的部分电子特性。计算并讨论了线性光子能量依赖的介电函数和相关的光学性质，包括折射率、消光系数、吸收谱、反射率和能量损失谱。得到的结构估计以及其他结果与现有的理论数据是一致的。计算结果对这些奇异碳同素异形体在光电子学和电子学中的实际应用具有参考价值。
2015-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Comment on "Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms"
在最近的一封信，藤井等. [Phys. Rev. Lett. 125，016001]预测了一种新的碳同素异形体，五金刚石，具有显着的机械性能：弹性模量相当于或大于金刚石，负泊松比$μ$ =-0.241。据估计，维氏硬度为422 GPa，$\sim$比金刚石（$\sim$ 92 GPa）高4.6倍，是迄今为止已知的最硬材料。然而，Pentadiamond没有受到调查。基于此，我们基于密度泛函理论，采用不同的近似方法对五金刚石的弹性性质进行了估计。还对金刚石和其他已知的硬碳同素异形体进行了测试以进行验证。通过测试发现，五金刚石的弹性常数和弹性模量与文献[Phys. Rev. Lett. 125，016001]是不正确的，五金刚石应被视为非拉胀软碳同素异形体。
2020-07-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
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
Original Ultra-hard Orthorhombic Carbon allotropes C8 with lonsdaleite-type lon topology: Crystallographic and DFT investigations
本研究基于晶体学工程与 DFT 计算，提出了三种具有 lonsdaleite 型 lon 拓扑的正交晶系碳同素异形体 C8，证实其具有超硬特性、动力学稳定性及接近金刚石的比热。
2025-01-28 cond-mat.mtrl-sci
A low-surface energy carbon allotrope: the case for bcc-C6
石墨可被视为具有很少层-层相互作用的低表面能碳同素异形体。还可能存在其他低表面能但具有更强层-层相互作用的同素异形体。在这里，我们报告了一个已知的碳同素异形体，bcc-C6（体为中心的碳同素异形体与6个原子，每个原始单位），应该有非常低的表面能和小的尺寸依赖性下降到只有一对夫妇层厚度的第一性原理预测。这种独特的性质可以解释在生长过程中相对高能量的bcc-C6的存在。bcc-C6薄膜的电子性质也很有趣：（111）、（110）和（001）薄膜分别具有直接带隙、间接带隙和金属特性。薄层的受抑制的化学反应性在分裂后不会消失，因为锂掺杂（Li掺杂）3层（111）具有显著增加的H2分子结合能，最大存储容量为10.8wt%。
2016-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Systematic search for low-enthalpy sp3 carbon using evolutionary metadynamics
我们提出了一个系统的搜索低能亚稳超硬碳同素异形体使用最近发展的进化metadaptics技术。已知石墨的冷压缩在15-20 GPa下产生同素异形体。在这里，我们寻找所有的低焓结构可从石墨。从2 H-或3R-石墨开始，施加20 GPa的压力，在演化变质模拟中观察到大量的中间$sp^3$碳同素异形体。我们的计算不仅发现了所有以前提出的候选“超硬石墨”，但也预测了两个同素异形体（\emph{X} -碳和\emph{Y} -碳）显示新的5+7和4+8拓扑结构。这些超硬碳同素异形体可以基于6（金刚石/朗兹代尔石）、5+7（\emph{M/W} -碳）、5+ 7（\emph{X} -碳）、4+8（bct C $_4$）和4+8（\emph{Y} -碳）拓扑结构分为五个家族。这项研究表明，进化元自洽是一个强大的方法，既可以找到全局最小值，系统地搜索低能亚稳相可从给定的起始材料。
2012-05-21 cond-mat.mtrl-sci
A Concise Review of Recently Synthesized 2D Carbon Allotropes: Amorphous Carbon, Graphynes, Biphenylene and Fullerene Networks
São Paulo State University (UNESP)（圣保罗州立大学）；Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)（坎皮纳斯州立大学）；Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN)（北里奥格兰德联邦大学）；University of Brasília (UnB)（巴西利亚大学）；Rice University（莱斯大学）
本文综述了近期实验合成的四类二维碳同素异形体的结构、理论预测与合成方法，梳理了理论与实验的关联及实验忽略理论贡献的情况，提出了待实验验证的理论结构与合成研究方向。
2025-09-16 cond-mat.mtrl-sci
HSH-carbon: A novel sp2-sp3 carbon allotrope with an ultrawide energy gap
通过第一性原理计算提出了一种sp2-sp3杂化碳同素异形体HSH-碳。HSH-碳的结构可以被认为是六方晶格中[1.1.1]螺桨烷分子的模板聚合，以及最近报道的由碳三角双锥组成的HSH-C10的AA堆叠。基于计算结果，该结构的稳定性表现在内聚能，声子色散，Born-Huang稳定性准则，和从头算分子动力学。HSH-碳被预测为具有在PBE能级为3.56 eV或在HSE 06能级为4.80 eV的间接能隙的半导体。其禁带宽度大于Si的禁带宽度，接近于c-金刚石的禁带宽度，表明HSH-碳是一种潜在的超宽带隙半导体。在VB和CB边缘的载流子的有效质量与宽带隙半导体如GAN和ZnO相当。HSH碳的弹性模量、杨氏模量和剪切模量与T碳相当，但远小于c金刚石，这表明HSH碳比c金刚石更容易加工。
2022-07-24 cond-mat.mtrl-sci
Electronic and structural properties of 3D Hopf-linked carbon allotrope: Hopfene
电子和结构性质的3D碳同素异形体的霍普夫连接的石墨烯，我们称之为霍普芬-拓扑晶体的一种类型，检查半经验的分子轨道和密度泛函理论方法，其中能带结构分析揭示了非常不同的性能从那些2D石墨烯。此外，分析给出了一个有趣的发现，取决于石墨烯片间距，Hopfenes表现出不同的带功能之间的初级型Hopfene与有限的最小片间距和次级型与其两倍大小的间距。初级类型显示出半金属性质，次级类型在不同的能带处显示出半金属或半导体性质，并且还具有平坦的能带;这些导电特征可以通过费米能级控制来利用。还提供了Hopfenes的装置应用。
2019-12-26 cond-mat.mtrl-sci
Density-functional study of LixMoS2 intercalates (0<=x<=1)
在密度泛函理论框架下研究了锂嵌入二硫化钼（LixMoS 2）的2 H-和1 T同素异形体的稳定性与锂含量（x）和嵌入位置的关系。八面体配位的锂化合物在范德华间隙被发现是最喜欢的两个同素异形体。初始化2 H-> 1 T相变所需的锂的临界含量估计为x ~ 0.4。对于较小的Li含量的六方2 H晶体结构没有改变，而1 T-LixMoS 2化合物采用单斜晶格。LixMoS 2的所有同素异形体形式-不包括单斜Li1.0MoS2结构-显示出金属样特征。单斜晶系的Li1.0MoS2是一种带隙为1.1eV的半导体。最后，在一个唯象模型中讨论了Li嵌入对多壁MoS 2纳米管稳定性的影响。
2012-05-23 cond-mat.mtrl-sci
Cubic C$_{20}$: An intrinsic superconducting carbon allotrope
基于密度泛函计算，研究立方碳同素异形体sc-C$_{20}$的声子介导超导电性，预测其为无需掺杂、转变温度约24 K的本征碳超导体。
2023-06-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
New stable crystal structures of C and GeC2 predicted from first-principles calculations
采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算方法预测了碳（C）和碳化锗（GeC 2）两种新型三维晶体结构.这些新发现的3D碳同素异形体和GeC 2在空间群Fmmm（空间群编号69）中。它们的晶体结构具有由C或Ge/C原子形成的独特的四角/六角环。通过声子谱计算证明了这两种结构都是稳定的。C的同素异形体是一种半导体，具有3.65 eV的宽带隙的混合密度泛函HSE 06方法预测，而GeC 2是金属。新的C同素异形体具有2.84 g/cm 3的低质量密度。更重要的是，它被证明是能量稳定的，内聚能小于-7.5eV/原子，这低于许多其他碳同素异形体，这意味着在实验室中制备的可能性。这种具有低质量密度和宽带隙的碳晶体结构一旦合成，将在气体吸附传感器和光电子器件中具有广泛的应用。
2020-12-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
First principles investigations in the carbon silicon system of novel tetragonal C8 (diamond) and Si8 allotropes and binary Si4C4 phase
基于晶体化学原理，采用密度泛函理论（DFT）对C8、Si 8和碳化硅Si 4C 4的基态能量和物理性质进行优化，提出了新的扩展网络结构.碳和硅的两种同素异形体以及碳化硅属于原始四方空间群P-4 m2 Number 115。C8同素异形体结构的角共享C4和Si 4四面体是由电荷密度投影显示sp3样碳杂化。通过仔细的对称性分析，C8的对称性分析表明它是立方金刚石的另一种表示，空间群F-d3 m编号227。C8被确定为超硬，具有类似的维氏硬度。对C_8的兴趣是作为研究Si_8和Si-C二元系的模板。Si 8同素异形体被发现是软的，HV =13 GPa，类似于立方Si，并且Si 4C 4被识别为HV =33 GPa，接近于实验SiC。所有这三个新的阶段是机械（弹性常数）和动力学（声子）稳定，和他们的电子能带结构的绝缘C8（金刚石）与约5 eV的大带隙，和半导体Si 8和Si 4C 4的带隙约为1 eV的特征。
2022-09-05 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
Superstructures of Cubic and Hexagonal Diamonds Comprising a Family of Novel $sp^3$ Superhard Carbon Allotropes
提出了立方和六方金刚石（h-和c-金刚石）的超结构，其包含稳定的类金刚石$sp^3$杂化的新型碳同素异形体家族，其被称为$_n$ -碳，其中$n \geq 2$表示晶胞中的结构层的数目。传统的h-和c-钻石分别作为$n=2$和3的成员包含在该家族中。U $_n$ -碳（$n=4-6$），其在能量和热力学上比h-金刚石更稳定，并且具有显著的动力学稳定性，被示出为绝缘体，具有$5.6 \sim 5.8$ eV的间接带隙、$ 3.5 \sim 3.6$ g/cm $^3$的密度、$4.3 \sim 4.4 \times 10^{2}$ GPa的体积模量和$92.9 \sim 97.5$ GPa的维氏硬度，甚至比h-和c-金刚石更硬。模拟的X射线衍射和拉曼光谱的实验表征。碳的这些新结构将在物理学、化学、材料科学和电子物理学中产生引人注目的影响。
2013-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Grapheayne: a class of low-energy carbon allotropes with diverse optoelectronic and topological properties
通过系统的第一性原理计算，预测了一系列具有新颖光电性质和丰富拓扑结构的碳同素异形体。这些迷人的碳同素异形体可以通过将炔键（-C $\equiv$ C-）插入石墨中而得到，因此它们被称为石墨烯。Grapheayne具有两个不同的空间群，$P$ 2/ $m$或$C$ 2/ $m$，并且同时含有$sp$、$sp^2$和$sp^3$化学键。它们的形成能低于已经实验合成的石墨二炔和其他理论预测的具有炔键的碳同素异形体。特别地，当石墨- $n$的宽度$n$超过15时，其内聚能低于金刚石的内聚能，并且随着$n$的增加而接近石墨的内聚能。值得注意的是，我们发现，一些grapheaynes表现为半导体与直接窄带隙和所有已知的半导体碳同素异形体中最高的吸收系数，而其他一些拓扑半金属与节线。特别是，一些grapheayne可以被设计成具有在1.07-1.87 eV范围内的可调直接带隙，并且具有用于光伏应用的理想特性。我们的工作不仅揭示了石墨族独特的原子排列和突出的性质，而且为催化剂、储能、分子筛、太阳能电池和电子器件提供了一个有前途的材料宝库。
2019-08-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Biphenylene monolayer as a two-dimensional nonbenzenoid carbon allotrope: A first-principles study
在最近的成就中，已经成功地制造了联亚苯基网络（BPN）的二维形式[Fan等人，Science，372，852-856（2021）]。受二维层状BPN结构的这一令人兴奋的实验结果的启发，本文首次进行了详细的基于密度泛函理论的第一性原理计算，以深入了解这种有前途的纳米材料的结构，电子和光学性质。理论计算结果表明BPN结构由四边形、六边形和八边形三个环组成，电子局域化函数表明结构中C原子之间有很强的键合。通过声子带色散计算验证了BPN的动力学稳定性。力学性能表明BPN单分子膜具有脆性。杨氏模量计算为0.1TPa，小于石墨烯的相应值，而泊松比确定为0.26，大于石墨烯的泊松比。评估能带结构以显示材料的电子特征;确定BPN单层为带隙为零的金属。光学性质（介电函数的实部和虚部以及吸收光谱）揭示了BPN沿着zz方向是绝缘体，而在xx和yy方向上具有金属性质。我们预计，我们的发现将为在先进的纳米电子学中成功实施这种新的碳的二维同素异形体铺平道路。
2021-05-31 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Cohesion Energetics of Carbon Allotropes : Quantum Monte Carlo Study
我们利用量子MonteCarlo方法研究了碳同素异形体的结合能，包括$sp^3$ -键合金刚石，$sp^2$ -键合石墨烯，$sp$ - $sp^2$杂化石墨烯和$sp$ -键合碳炔.计算的结合能的金刚石和石墨烯被发现是在极好的协议与相应的值实验确定的金刚石和石墨，分别，当零点能量，以及层间结合的情况下，石墨，包括在内。我们还发现，随着$sp$键合的碳原子的比例增加，石墨炔的结合能系统地降低。能量最稳定的石墨炔$γ$ -石墨炔的结合能为6.766（6）eV/原子，比石墨烯的结合能小0.698（12）eV/原子。合成石墨炔的实验困难可以通过它们显著较小的内聚能来解释。最后，我们得出结论，一个新提出的石墨炔的结合能可以准确地估计与碳-碳键能确定的石墨烯和三个不同的石墨炔的结合能在这里考虑。
2014-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Novel Carbon allotropes with mixed hybridizations: ene-C10, and ene-yne-C14. Crystal chemistry and first principles investigations
通过在类金刚石C8中插入sp2/sp1碳原子，设计出ene-C10和ene-yne-C14两种新型碳同素异形体，并利用第一性原理证实其力学与动力学稳定性，揭示了密度、内聚能、硬度及电子结构的变化规律。
2023-07-10 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
Controllable Weyl nodes and Fermi arcs in a light-irradiated carbon allotrope
结合第一性原理、Wannier 紧束缚与 Floquet 方法，研究线偏振光下 fco-C6 的 Weyl 物理，实现光强对 Weyl 节点和 Fermi 弧位置的精确控制。
2023-08-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Prediction of new sp3 silicon and germanium allotropes from the topology-based multiscale method
这篇文章继续我们最近的出版物[I.A. Baburin和D.M.普罗塞皮奥和VA Saleev和A.V.Shipilova，Phys.Chem.Chem.Phys.17，1332（2015）]，其中我们已经提出了基于为沸石提出的拓扑结构的sp3碳同素异形体的综合计算研究。在这里，我们预测六个新的硅和六个新的锗同素异形体具有相同的空间群对称性和拓扑结构的碳同素异形体，并研究其结构，弹性，振动，电子和光学性质。
2017-01-18 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional graphene networks modified with acetylenic linkages for high-performance optoelectronics and Li-ion battery anode material
寻找具有合适带隙和优良光电性能的三维半导体碳同素异形体一直是新兴的全碳光电子学研究者追求的目标。另一方面，3D碳材料也被认为是锂离子电池（LIB）中优于商业化石墨的有前途的阳极材料。在这里，使用第一性原理计算，我们提出了两个新的三维碳同素异形体通过炔键修饰的两个结构密切相关的三维碳结构-碳kagome晶格（CKL）和互穿石墨烯网络（IGN）。改性的CKL是一个真正的直接带隙半导体，并可能具有最强的光学跃迁系数之间的所有半导体碳同素异形体。合适的带隙和小的有效质量也意味着它可以是用于钙钛矿太阳能电池的良好的电子输运材料（ETM）。对于改性后的IGN，它是一种拓扑结构的半金属，作为锂离子电池的阳极材料，其比容量比IGN有很大提高。我们的工作不仅为高性能光电子和锂离子阳极材料找到了两种具有极好物理和化学性能的新3D碳相，还为创造具有多功能特性的各种碳结构提供了新的视角。
2019-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Tricarbon: two novel ultra-hard metallic carbon allotropes from first-principle calculations
基于晶体化学的考虑和量子密度泛函理论基态计算，菱形rh-C3和六方h-C6碳同素异形体被提出和能量计算作为新的稳定的超硬相类似的朗斯代尔石。在C2-C1-C2线型晶格中，沿着两种碳原子，由电荷密度投影推断出扭曲四面体C2（sp3）的角为106.17°（小于理想的109.4°），并具有类C1（sp）杂化。计算出的弹性常数点的rh-C3和h-C6的机械性能的各向异性非常大的C33值（1636 GPa和1610 GPa，分别），超过的lonsdaleite（1380 GPa），由于沿六方c轴的对齐的三碳单元的存在下。这两个阶段的特点是大体积模量和高硬度值，略低于那些lonsdaleite和金刚石。通过电子能带结构计算确定了这两个新相的弱金属行为。
2021-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Hexa-Graphyne: A Transparent and Semimetallic 2D Carbon Allotrope with Distinct Optical Properties
Federal University of Parana（巴拉那联邦大学）
研究通过第一性原理计算揭示了六边石墨烯的稳定性、半金属特性及优异的机械性能，同时发现其在紫外吸收、红外反射和可见光透明性方面的独特光学响应，为纳米电子和光电应用提供潜力。
2025-10-22 cond-mat.mtrl-sci
Ab-initio calculations of carbon and boron nitride allotropes and their structural phase transitions using periodic coupled cluster theory
我们提出了一个从头计算研究氮化硼以及碳同素异形体。它们的相对热力学稳定性和结构相变从低到高密度相的研究。压力-温度相图的计算和实验结果进行比较。计算采用量子化学波函数以及密度泛函理论。我们的研究结果表明，预测的能量差异往往取决于所采用的方法的选择显着。计算结果和实验结果之间的比较允许基准的准确性，不同层次的理论。所产生的结果表明，量子化学波函数为基础的理论允许实现系统的改进估计。我们发现，在耦合集团理论的水平上，氮化硼的低密度相和高密度相在0 K时都发生了热简并。这与最近的实验结果一致，表明立方氮化硼在环境条件下不是化学稳定的同素异形体。此外，我们采用计算结果来评估过渡概率从石墨低密度到类金刚石高密度相在一个近似的方式。我们的结论是，母石墨材料的堆叠顺序是至关重要的可能形成的亚稳纤锌矿氮化硼和六方碳金刚石也被称为lonsdaleite。
2019-02-21 cond-mat.mtrl-sci
Metamorphosis in Carbon Network: From Penta-Graphene to Biphenylene under Uniaxial Tension
碳的多晶性的力量通过碳基纳米材料的众多应用生动地体现出来。从环境问题到生物医学应用，它有可能解决当今许多可怕的问题。然而，在微观水平上理解碳同素异形体之间的转化机制对于其发展成为非常理想的材料至关重要。在这项工作中，我们报告这样的相变之间的两个碳同素异形体，从五石墨烯（半导体）到联苯（金属）单轴加载。使用密度泛函理论，我们证明了相变发生通过同步重组的碳原子的同时下降的能量。本工作的结果证实了penta-graphene是一种亚稳态结构。另一方面，对联苯的严格分析表明，它是一种能量、机械、动力学和热稳定的结构，无论是片状还是管状。它的电子结构表明它在这两种形式下都是金属。因此，这项工作揭示了二维碳系统中相变的可能性，从而设计出能够瞬间改变其性质的纳米材料。此外，在高温（5000 K）下加热亚联苯基片揭示了另一种相转变为更稳定的六方石墨烯样结构。这提出了热退火作为从另一个合成一个2-D碳同素异形体的可能方法。
2017-03-24 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Topological carbon allotropes: paradigm shift for materials innovation
研究提出利用碳原子共价$σ$键构建结和链环等拓扑结构，并发明了新型3D碳同素异形体 Hopfene，通过周期性 Hopf 链环阵列将水平 Graphene 片编织成垂直片，为拓扑材料创新提供新范式。
2019-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Changing the Phosphorus Allotrope from a Square Columnar Structure to a Planar Zigzag Nanoribbon by Increasing the Diameter of Carbon Nanotube Nanoreactors
元素磷纳米结构因大量的同素异形体而臭名昭著，这限制了它们作为半导体的有用性。为了限制这种结构的多样性，我们选择性地合成准一维磷纳米结构内的碳纳米管（CNT），作为稳定的模板和纳米反应器。尽管锯齿形磷纳米带优选地在内径超过1.4nm的CNT中形成，但观察到先前未知的磷的方形柱状结构在较窄的纳米管内部形成。我们的发现得到了电子显微镜和拉曼光谱观测以及从头计算密度泛函理论计算的支持。我们的计算结果表明，方形柱状结构的形式，优选地在内径约1.0 nm的碳纳米管，而黑色的磷纳米带的形式，优选地在内径为4.1 nm的碳纳米管内，与锯齿形纳米带积极有利于扶手椅纳米带。我们的理论预测与实验结果一致。
2020-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Lattice deformation on flat-band modulation in 3D Hopf-linked carbon allotrope: Hopfene
在3D霍普夫连接的石墨烯晶体或名为霍普芬的3D碳同素异形体中形成平坦带，其在性质上不同于仅石墨烯的带。本文通过密度泛函理论（DFT）分析，讨论了碳六边形形变对平带能级移动的影响，使平带能级变为费米能级，利用其大的态密度进行磁性和电子性质的研究。紧束缚（TB）分析也进行了比较与DFT分析，在这里，TB和DFT频带之间的定性协议。DFT分析表明，一个几乎线性的平带水平移位的晶格变形率，其中电子相互作用的影响包括在Kohn-Sham方法。为了调整平带能级使其符合费米能级，还提出了双异质结构作为六边形变形控制的一种方式。
2019-10-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Superglitter and squarodiamond, novel C12 (sp2/sp3) and C16 (sp3) allotropes from first principles
基于第一性原理提出两种新型碳同素异形体C12(superglitter)和C16(squarodiamond)，前者具sp2-sp3混合杂化呈金属性，后者仅含sp3碳呈绝缘性且硬度超100 GPa，为材料科学和碳数据库提供了新磨料及电子器件应用潜力。
2023-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio study of pressure stabilised NiTi allotropes: pressure-induced transformations and hysteresis loops
采用密度泛函理论研究了静水压力引起的化学计量比NiTi同素异形体的变化。通过模拟准静态压力变化的方式模拟压力诱导的转变，我们表明，实验观察到的B19'相（在其散装形式）相对于另一个单斜相，B19”不稳定。B19”相的较低对称性导致在压力诱导的相变期间Ti和Ni原子（不共享单个晶面）的独特原子轨迹。这种原子轨迹的唯一性被认为是形状记忆能力的必要条件。正向和反向压力诱导跃迁B19“{$\leftrightarrow$ }B19”表现出滞后现象，该滞后现象被证明源于迄今为止未预料到的Born-Oppenheimer能面的复杂性。
2011-12-06 cond-mat.mtrl-sci
DFT investigation of novel cubic carbon allotrope, yne-C$_{16}$
本研究基于DFT设计并验证了新型立方碳同素异形体yne-C$_{16}$，其具有sp$^3$/sp$^1$杂化、独特三键单元和弱金属性，且力学与动力学稳定。
2024-07-20 cond-mat.mtrl-sci
3D carbon allotropes: Topological quantum materials with obstructed atomic insulating phases, multiple bulk-boundary correspondences, and real topology
基于SACADA数据库对三维碳同素异形体进行高通量筛选，发现422种为具有二维表面态和一维铰链态的多重体-边界对应关系的受阻原子绝缘体，其中138种同时为受时空反演对称性保护的三维实陈绝缘体。
2023-11-30 cond-mat.mtrl-sci
Topological carbon materials: a new perspective
碳具有许多一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）同素异形结构。碳材料的研究一直是材料科学和凝聚态物理的一个主要热点。以前的研究已经确定了不同类别的拓扑半金属碳同素异形体具有不同的拓扑相。本文首先对碳同素异形体从一维到三维的发展进行了简要的综述。接下来，我们讨论了碳材料的拓扑性质及其物理起源。然后，我们考虑碳材料的拓扑研究可能扩展到其他轻元素材料，如硼。最后，展望了碳同素异形体拓扑物理研究的前景。
2019-08-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Real topological phonons in 3D carbon allotropes
本研究通过高通量计算筛选SACADA数据库中1192种三维碳同素异形体，发现85种具有不同实拓扑声子态的材料，拓展了实拓扑声子候选材料范围，并验证了部分材料的声子铰链模式。
2024-05-20 cond-mat.mtrl-sci
Spin-orbit-free Weyl-loop and Weyl-point semimetals in a stable three-dimensional carbon allotrope
拓扑能带理论彻底改变了我们对材料电子结构的理解，特别是在具有强自旋轨道耦合（SOC）的系统中预测了一种新的状态--外尔半金属。在这里，一类新的外尔半金属，完全由轻元素与可忽略的SOC，提出。我们的第一性原理计算表明，在三维纯碳网络中的共轭p轨道相互作用，称为互穿石墨烯网络，足以产生相同的外尔物理。这种碳同素异形体具有非常好的结构稳定性。它的费米面由两个沿垂直方向具有线性色散的受保护外尔环组成。在反转对称性破缺时，每个外尔环被简化为一对外尔点。网络的表面带是几乎平坦的，在费米能级具有非常大的态密度。正如预期的那样，它在对称性破缺时被还原为费米弧。
2015-05-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
TODD-Graphene: A Novel Porous 2D Carbon Allotrope for High-Performance Lithium-Ion Batteries
本研究通过密度泛函理论、AIMD和ReaxFF MD模拟，提出多孔二维碳同素异形体TODD-Graphene，其具有金属性、低扩散势垒和高导电性，有望成为高性能锂离子电池负极材料。
2023-11-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic-cyclicgraphene: A new two-dimensional semiconducting carbon allotrope
通过分子和从头算方法相结合的两阶段搜索策略，合成了一种新型的、单原子厚的半导体二维石墨烯类材料，称为各向异性环状石墨烯。从进化算法和分子模拟的候选人，然后深刻地分析了使用第一性原理密度泛函理论从结构，机械，声子和电子性质的角度来看。所提出的石墨烯多晶型物（rP 16-P1 m1）是机械、动态和热稳定的，并且可以是半导体的，具有0.829 eV的直接带隙。
2018-01-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
