(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
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
Extent of stacking disorder in diamond
通过计算预测，六方金刚石显示出非凡的物理特性，包括超过立方金刚石的硬度。然而，最近的电子显微镜研究表明，所谓的六方金刚石样品实际上不是离散的材料，而是有缺陷的孪晶立方金刚石。我们现在提供了一个定量分析金刚石样品中的立方和六方堆积通过分析X射线衍射数据与DIFFaX软件包。我们在以前被称为六方金刚石的材料中发现的六方堆积的最高分数低于60%。其余的堆叠序列是立方的。我们表明，立方和六方序列交织在一个复杂的方式，天然存在的Lonsdaleite不是一个简单的相混合的立方和六方金刚石。相反，它在结构上最好描述为堆叠无序金刚石。未来的实验挑战将是制备超过60%的六方金刚石样品，并朝着迄今为止难以捉摸的“完美”六方金刚石方向发展。
2015-05-11 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
Beating oscillations of magneto-optical spectra in simple hexagonal graphite
简单六方石墨的磁光性质表现出丰富的拍频振荡，这种振荡主要受磁场强度和光子能量的影响。前者对拍频强度、拍频能量范围和群数有很大的影响，后者对振动结构的总群数有调制作用。磁反射谱中同时存在单粒子激发和集体激发，并能精确区分。对于损失函数和反射率，第一组的拍频模式显示出比其他组更强的强度和更宽的能量范围。简单六方石墨具有独特的磁光特性，可以用来识别其他块状石墨。
2014-12-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Electronic structure of stacking faults in hexagonal graphite
我们提出的自洽，全电位的电子结构计算的结果与堆垛层错的六方石墨板和板与一个位移的表面层。有两种类型的堆垛层错，它们在化学键图像上有质的不同。我们发现，这两种类型诱导局域化的界面带附近的对称线K-M的布里渊区和一个相关的峰值在局域态密度（LDOS）非常接近的费米能，这应该引起的界面带的主要贡献的局部导电性的堆垛层错。相比之下，干净的表面在π和σ带的能量范围内不存在任何表面带，并且表面附近的LDOS甚至被耗尽。另一方面，即使一个单一的表面层的位移诱导K-M附近的表面带。在一类堆垛层错附近，p_z键二聚体（方向垂直于层）起着特殊的作用。它们产生一对半满的界面态/界面共振。估算了两种层错的形成能和表面能。
2013-08-22 cond-mat.mtrl-sci
Extrinsic doping in group IV hexagonal-diamond type crystals
在过去的几年中，由于新颖且非常有效的生长方法的出现，第IV族六方金刚石型晶体在半导体物理中获得了极大的关注。然而，许多问题仍然没有得到解决，其外在的掺杂能力，以及它如何比较那些类金刚石结构。这一点是在这里调查，通过数值模拟进行的密度泛函理论（DFT）的框架。对III族和V族掺杂原子的对比分析表明：i）在金刚石型晶体中，（$T_d$）通过掺杂得以保留，而在六方晶体中，杂质位置向更高的（$T_d$）或更低（$C_{3v}$）对称构型依赖于掺杂剂原子的价态; ii）对于Si和Ge，III族杂质可以更容易地引入到六边形金刚石相中，其局部$C_{3v}$对称性更好地适应杂质的三重配位，而n型杂质没有显示出任何显著的相偏好; iii）对于C，n和p掺杂剂在六方金刚石结构中比在立方金刚石结构中更稳定，但这种趋势对于n型杂质更明显。
2020-07-08 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio quality study of the graphite-diamond phase coexistence
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Harvard University（哈佛大学）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
本研究构建了基于神经网络的碳的原子间势，兼具从头算精度与经验力场效率，首次开展了石墨-金刚石共存热力学的从头算质量分子动力学研究，纳入核量子效应后结果与实验吻合良好。
2010-04-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
Metastability and Ostwald Step Rule in the Crystallisation of Diamond and Graphite from Molten Carbon
研究利用第一性原理机器学习势模拟液态碳结晶，发现金刚石经经典成核形成，而亚稳石墨经低密度涨落的两步路径优先生成并阻碍向金刚石转变，体现 Ostwald 步进规则。
2025-06-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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
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
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
Structural and thermodynamic stability of hexagonal-diamond $\text{Si}_{1 - x - y}\,\text{Ge}_{x}\,\text{B}_{y}$ alloys
本研究通过密度泛函理论模拟探究硼掺杂六方金刚石结构硅锗合金的结构与热力学稳定性，发现其符合三元Vegard定律、硼在六方相更稳定且超掺杂热力学可行性更高，为IV族半导体超导研究提供新平台。
2025-07-31 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
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
Shift of Fermi level by substitutional impurity-atom doping in diamond and cubic- and hexagonal-boron nitrides
采用KKR（Korringa-Kohn-Rostoker）方法计算了金刚石、立方氮化硼（cBN）和六方氮化硼（hBN）的态密度和能带图，研究了杂质原子掺杂低于10at.%时费米能级的移动.对于金刚石，掺杂剂原子为B和N，对于cBN，掺杂剂原子为Be、Si和C，对于hBN，掺杂剂原子为Be和C。发现在下列七种情况下费米能级位于价带最大值或导带最小值：（i）B浓度为0.3at.%在B掺杂的金刚石中，（ii）N浓度为0.4原子%，在N掺杂金刚石中，（iii）Be取代B的浓度为0.9at.%在cBN中，（iv）Si取代B的浓度为0.3原子%，在cBN中，（v）C取代B的浓度为0.3原子%，在cBN中，（vi）C取代N的浓度为0.9原子%，在cBN中，和（vii）Be取代B的浓度为~ 2at.%在hBN中。这些值中的每一个都指示用于载流子到金属转变的临界掺杂剂浓度。在掺硼金刚石中，它是在低温下发生超导性的一种量度。
2014-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Femtosecond and Ultraviolet Laser Irradiation of Graphite-Like Hexagonal Boron Nitride
研究了飞秒和纳秒紫外激光辐照（低于烧蚀阈值）类石墨六方氮化硼（hBN）的效应。在室温下，在高真空下，使用准分子KrF激光（248 nm）与压实的粉末进行实验。在纳秒操作模式下，激光诱导荧光光谱被发现强烈修改取决于集成剂量，这是由于由元素硼的表面层的逐步富集。观察到激光照射后样品的缓慢恢复。另一方面，在飞秒模式下，荧光光谱依赖于激光能量密度，并且变化是可逆的：当激光能量降低时，低能荧光光谱立即恢复。这种效应可以用有利于体心发射的材料漂白来解释。在飞秒激光操作模式下，消融阈值已确定为78 mJ/cm 2。
2008-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Exceptionally high carrier mobility in hexagonal diamond
College of Smart Materials and Future Energy, Fudan University（复旦大学智能材料与未来能源学院）；Shanghai Advanced Silicon Technology Co., Ltd.（上海先进硅技术有限公司）
研究揭示六方金刚石在室温下具有极高的载流子迁移率，通过首次原理计算发现其在xy和z方向的空穴迁移率分别为5631和5552 cm²V⁻¹s⁻¹，电子迁移率分别为11462和28464 cm²V⁻¹s⁻¹，远超其他已知半导体材料。
2026-07-10 cond-mat.mtrl-sci
Graphite and Hexagonal Boron-Nitride Possess the Same Interlayer Distance. Why?
石墨和六方氮化硼（h-BN）是具有六方晶格的层状材料家族的两个突出成员。虽然石墨具有非极性同核C-C层内键，但h-BN呈现高极性B-N键，从而导致两种材料在块体形式下的不同最佳堆叠模式。此外，组成原子的静态极化率相当大地彼此不同，这表明层间键合的色散分量存在很大差异。尽管存在这些主要差异，但两种材料的层间距离几乎相同。为了理解这一发现，在这两种材料的层间粘结的性质进行了比较研究。在h-BN的部分带电的原子中心之间的相互作用的一个完整的晶格总和的结果在消失的小单极静电贡献的层间结合能。高阶静电多极子，交换，和短程相关的贡献被发现是非常相似的，在这两种材料，几乎完全抵消了泡利排斥在物理相关的层间距离，从而在一个边际有效的贡献层间结合。色散能量项的进一步分析表明，尽管在单个原子的极化率的杂原子B-N C6系数是非常相似的同质原子的C-C系数在六方体形式导致非常相似的色散贡献层间结合的大的差异。因此，两种材料的总结合能曲线非常相似，预测实际上相同的层间距离和非常相似的结合能。
2011-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Acceptor and donor impurity levels in hexagonal-diamond silicon
本文利用从头算DFT模拟系统研究了2H-Si中p型和n型替位掺杂的杂质能级，发现受主在2H-Si中形成能更低且跃迁能级更浅，而施主更倾向立方相，并基于能带偏移模型证明空穴可稳定2H-Si相。
2024-10-21 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic driving force in the formation of hexagonal-diamond Si and Ge nanowires
Si和Ge（以及SiGe合金）的亚稳六方金刚石相显示出相对于六方金刚石的优越的光学性质。后者是最稳定和最受欢迎的一种：在极端条件下不工作的情况下生长六边形金刚石Si或Ge被证明是不平凡的。然而，最近，已经证明了生长六边形金刚石IV族纳米线的可能性，吸引了对此类系统的关注。基于第一性原理的计算结果表明，硅和锗纳米线中暴露的典型小面的表面能在六方金刚石相中比在立方相中低。通过利用一个协同的方法也基于最近的国家的最先进的原子间的潜力和一个简单的几何模型，我们调查的相对稳定性的纳米线在两个阶段的半径高达几十纳米，突出表面相关的驱动力，并讨论其相关性在最近的实验。我们还探讨了具有六边形核的Si和Ge核-壳纳米线的稳定性（对于Si纳米线由GaP制成，对于Ge纳米线由GaAs制成）。在这种情况下，与连接两相的界面相关联的能量成本也有利于六方壳相对于立方壳的稳定性。有趣的是，我们的计算表明，六方壳的临界半径远低于最近的实验中报道的一个，表明存在一个大的动力学障碍，允许扩大的线在亚稳相。
2020-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Hexagonal Nanopits with the Zigzag Edge State on Graphite Surfaces Synthesized by Hydrogen-Plasma Etching
我们研究了，通过扫描隧道显微镜，在石墨表面通过氢等离子体蚀刻在各种条件下，如H $_2$压力，温度，蚀刻时间，和RF功率的等离子体产生的单层深度的纳米孔的形态。除了已知的压力诱导的纳米孔形态的转变，我们发现了一个尖锐的温度诱导的转变，从许多小而圆的纳米孔的~150 nm的尺寸到几个大的六边形的300-600 nm的在一个狭窄的温度范围内。远程和直接的等离子体模式切换机制，这是提出来解释的压力引起的转变，是不直接适用于这个新发现的转变。通过该方法在石墨表面处制造的六边形纳米孔的边缘的扫描隧道光谱（STS）测量显示了位于锯齿形边缘（边缘状态）处的特有电子状态的清晰特征，即，费米能附近的一个显著的峰值，伴随着局部态密度两侧的supplement。这些观察结果表明，六边形纳米孔由高密度的锯齿形边缘组成。STS数据还揭示了边缘态的畴结构，其中电子态沿着边缘在约3 nm的长度尺度上变化。目前的研究将铺平道路的各向异性蚀刻机制和自旋极化的锯齿形纳米带，这是未来的石墨烯纳米电子学有前途的关键要素的微观理解。
2019-08-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Landau Level optical Hall effect spectroscopy on two- and three-dimensional layered materials with graphene and graphite as examples
我们提出了一个全面的研究的能带结构的二维和三维六方层状材料，使用朗道能级光学霍尔效应光谱调查，采用石墨烯和石墨作为模型系统。我们研究了高取向热解石墨和C面6 \textit{H} -SiC上的多层石墨烯叠层的朗道能级间跃迁，使用来自反射型光学霍尔效应测量的数据，在样品温度为$T=1.5$ ~K和磁场高达$B=8$ ~T的中红外光谱范围内。我们描述了一个全面的介电极化率模型间朗道能级跃迁，它允许分析的光学霍尔效应数据。根据它们的磁场依赖性，我们确定了石墨中的H点和K点朗道能级间跃迁的集合，以及多层石墨烯堆叠的去耦石墨烯单层和耦合石墨烯双层、三层和四层的朗道能级间跃迁的集合。对于去耦石墨烯单层中的朗道能级间跃迁和石墨中的H点跃迁，我们观察到偏振模式保持行为，需要对相应的介电张量的对称磁光贡献。耦合石墨烯层中的朗道能级间跃迁以及石墨中的K点跃迁表现出偏振模式混合行为，需要对相应介电张量的反对称磁光贡献。从圆极化平均的朗道能级间跃迁能量和左右手圆极化朗道能级间跃迁的能量分裂，我们确定了二维和三维六方层状材料的Slonczewski-Weiss-McClure能带结构近似的模型参数，以石墨烯和石墨为例。
2017-05-23 cond-mat.mtrl-sci
Shift of Fermi level by substitutional impurity-atom doping in diamond and cubic- and hexagonal-boron nitrides II. Generalized Gradient Approximation
继第一篇论文（arXiv 1406.6204 v5）之后，我们使用KKR（Korringa-Kohn-Rostoker）方案，使用局域密度近似（LDA），确定了金刚石、立方氮化硼（cBN）和六方氮化硼（hBN）的费米能级处于价带最大值（VBM）或导带最小值（CBM）时的杂质原子浓度。本文用广义梯度近似代替LDA计算交换关联。金刚石的杂质原子是B和N，cBN的杂质原子是Be、Si和C，hBN的杂质原子是Be;在第一篇论文中，这些杂质原子通过增加杂质原子浓度而形成简并态。当费米能级位于VBM或CBM时，杂质原子浓度如下：（i）B浓度为0.27at.%在B掺杂的金刚石中，（ii）N浓度为0.25原子%在N掺杂金刚石中，（iii）Be取代B的浓度为0.88at.%在cBN中，（iv）Si取代B的浓度为0.06at.%在cBN中，（v）C取代B的浓度为0.07原子%，在cBN中，（vi）C取代N的浓度为0.88原子%，在cBN中，以及（vii）Be取代B的浓度为1.80原子%在hBN中。（iv）和（v）的值明显小于论文I中的相应值，但这归因于本文中使用的输入参数，因此得出的结论是，计算的浓度对所使用的GGA不敏感。
2014-12-21 cond-mat.mtrl-sci
Theory of electric, magnetic, and toroidal polarizations in crystalline solids with applications to hexagonal lonsdaleite and cubic diamond
利用群论系统研究晶体固体中的电、磁和环多极序，识别出五类在能带结构中具有独特特征的极化物质，并开发了多极密度指标的一般形式理论，为分类和扩展复杂材料中的多极序理解提供了通用框架。
2023-04-05 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
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
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
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
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
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
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
Spontaneous growth of diamond from MnNi solvent-catalyst using opposed anvil-type high-pressure apparatus
本文综述了对置顶砧式高压高温装置在溶剂触媒法金刚石晶体自发生长中的应用。该方法利用熔融的Mn 47 Ni 53催化剂来引发石墨-金刚石转化反应。获得可再现的自发金刚石结晶的压力和温度要求为约52.5-54 kbar和1270-1320 ℃。晶体具有良好的形状立方结构的形态与100和111面和晶粒尺寸为0.2-0.5毫米。这项工作可以刺激未来的实验探索，通过使用其他溶剂催化剂金属的金刚石自发结晶。
2014-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropy of π-plasmon Dispersion Relation of AA-stacked Graphite
在自洽场近似下计算了简单六角本征石墨的高能光学π等离子体激元的色散关系。等离激元频率ω p是布里渊区中沿六边形平面转移的动量$q_{\parallel}$及其垂直分量$q_z$的函数。这些等离子体激元在长波长极限下在平面内是各向同性的。随着面内转移动量的增加，等离子体激元频率强烈地依赖于其幅度和方向（ω）。随着入射角的增大，六角平面内的色散关系由二次型逐渐变为近似线性型。二维石墨烯和三维AA堆叠石墨之间的π-等离子体激元色散关系存在许多显著差异。它们包括$q_\parallel$ -和π-依赖性和π-等离子体带宽。这表明层间相互作用可以增强面内π-等离子体激元的各向异性。对于选择的$\textbf{q}_\parallel$，我们还获得了等离子体频率作为$q_z$的函数，并表明，有一个上限$q_z$等离子体存在于石墨。另外，取决于$\textbf{q}_\parallel$的选择，沿垂直方向的等离子体激元传播的群速度可以是正的或负的。因此，可以实现π等离子体激元在AA堆叠石墨中的向前和向后传播，其中能量流分别平行于或反平行于所传递的动量。反向流动共振是AA-堆叠石墨的一种固有性质，源于能带结构和层间耦合。
2012-08-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Exciton radiative lifetimes in hexagonal diamond Ge and Si$_x$Ge$_{1-x}$ alloys
Politecnico di Torino（都灵理工大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；INFN（意大利国家核物理研究所）；Università degli studi di Roma “Tor Vergata”（罗马托尔维加塔大学）
研究六方金刚石Ge及合金的激子性质和辐射寿命，通过Bethe-Salpeter计算揭示其激子结合能与偶极矩的关系，发现应变显著增强激子偶极矩并缩短辐射寿命。
2026-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Interaction of dopants with the I$_3$-type basal stacking fault in hexagonal-diamond Si
本研究采用密度泛函理论计算，揭示了六方金刚石型硅中p型、n型掺杂剂及等电子杂质与I₃型基面堆垛层错的差异化相互作用规律，并通过六方/立方硅界面验证了相关结论，为新型半导体性能调控提供了理论依据。
2025-06-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Vibrational spectroscopy identifies the bond asymmetry of hexagonal diamond
Rutgers University（罗格斯大学）
本文通过第一性原理晶格动力学结合拉曼光谱与衍射，确定六方金刚石键不对称性为正，澄清其结构争议，指出1529厘米⁻¹特征无法归属于理想2H金刚石。
2026-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
Ultra-hard hexagonal C$_{12}$ with C3 cyclopropane-like moiety from first principles
本研究通过晶体化学与DFT计算提出新型六方C₁₂碳同素异形体，验证其力学、动力学稳定性及超硬特性，揭示其热容接近金刚石、带隙为金刚石一半的近绝缘电子性质。
2023-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Nature of point defects in bulk hexagonal diamond
Advanced Technology Research Institute of Taihu Photon Center, School of Physical Science and Technology, Suzhou University of Science and Technology（太湖光子中心先进技术研究院，苏州科技大学物理科学与技术学院）
研究通过第一性原理计算揭示了体心六方金刚石中内在缺陷、外来掺杂剂及缺陷复合体的性质，发现VC主导导电性，硼作为良性的受主体增强p型导电性，而氮和磷作为有效的施主体增强n型导电性，同时VC、MgC和XV缺陷复合体在带隙内具有多种自旋和电荷状态，具有作为色心宿主qubit的潜力。
2026-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Hexagonal supertetrahedral boron: A topological metal with multiple spin-orbit-free emergent fermions
我们预测一个新的三维（3D）硼同素异形体的基础上系统的第一性原理电子结构计算。这种同素异形体可以通过用B $_{4}$四面体取代六方金刚石晶格中的每个碳原子而得到，并且具有与六方金刚石相同的空间群$P6_{3}/mmc$，因此它被称为H-硼。结果表明，氢硼具有良好的稳定性和优异的力学性能。值得注意的是，我们发现H-硼是一种拓扑金属，具有丰富类型的自旋-轨道自由涌现费米子，包括半狄拉克费米子，二次和线性三点费米子，螺旋线费米子和螺旋面费米子。我们阐明了它们的对称保护，并通过构建相应的低能量有效模型来表征它们。我们的工作不仅发现了一种新的具有优异性能的硼同素异形体，还为探索新型涌现费米子的有趣物理提供了平台。
2019-01-24 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
Anharmonic Phonons and Anomalous Thermal Expansion of Graphite
利用晶格动力学从头计算和声子的非谐性研究了石墨的各向异性热膨胀，结果表明，在600 K以下，石墨在a-b平面内呈现负的热膨胀，而在高温下，石墨在c轴上呈现很大的正的热膨胀，这是由于沿c轴极化的各种声子引起的.虽然NTE是由横向声子在高达60 meV的宽能量范围内的非谐性引起的，但沿c轴的大的正膨胀主要是由于16 meV左右的纵向光学声子模式和沿c轴的大的线性压缩性。石墨中巨大的各向异性键是导致沿c轴极化的横向和纵向声子模的能量范围存在很大差异的原因，这是导致反常热膨胀行为的原因。这种行为与其他几乎各向同性的六边形结构如水冰形成对比，水冰在小的温度范围内显示出异常的热膨胀，这是由声子的窄能量范围引起的。
2020-05-12 cond-mat.mtrl-sci
Nitrogen Vacancy Centers in Hexagonal Diamond Exhibit Long Coherence Times
Pritzker School of Molecular Engineering, The University of Chicago（芝加哥大学普里茨克分子工程学院）；Materials Science Division, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室材料科学部）；Department of Chemistry, The University of Chicago（芝加哥大学化学系）
该研究通过第一性原理计算发现，六方金刚石蓝丝黛尔石的AB构型氮空位中心，在零磁场下的Hahn回波相干时间T₂较立方金刚石同类中心提升约4倍，有望用于量子传感与信息科学领域。
2026-08-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
