Covalent-bonded graphyne polymers with high hardness

Abstract

Eight covalent-bonded graphyne polymers have been proposed using the newly developed USPEX and CALYPSO methods based on the first principle calculations. These polymers are energetically more favorable than the corresponding graphyne under ambient pressure, and seven of them are more stable than fullerene C₆₀, indicating their existence possibilities. The mechanical and dynamic stabilities of these crystal structures have been confirmed by calculating their elastic constants and phonon dispersion curves, respectively. The newly developed variable-cell nudged elastic band (VC-NEV) simulations show that the graphyne → polymer transformation exhibits lower energy barrier than the graphite → diamond transformation. Two of the graphyne polymers have been found to be superhard, and the others are hard materials. These graphyne polymers possess tunable electronic properties from metallic to semiconductive.

Запропоновано вісім ковалентно-зв’язаних полімерів графана, отриманих за допомогою нещодавно розроблених методів USPEX і CALYPSO, заснованих на розрахунках з перших принципів. Ці полімери енергетично більш вигідні, ніж відповідні графани під атмосферним тиском, і сім з них є більш стабільними, ніж фулерен C₆₀, що вказує на можливість їх існування. Механічна і динамічна стабільність таких кристалічних структур підтверджуються розрахунком їх пружних констант і кривими дисперсії фононів відповідно. Нещодавно здійснене моделювання змінної комірки збудженої пружною зони показало, що перетворення графан → полімер відбувається при більш низькому енергетичному бар’єрі, ніж перетворення графіт → алмаз. Встановлено, що два полімера графана є надтвердими, а інші – твердими матеріалами. Ці полімери графана мають електронні властивості, що змінюються від металічних до напівпровідникових.

Предложены восемь ковалентно-связанных полимеров графана, полученных с помощью недавно разработанных методов USPEX и CALYPSO, основанных на расчетах из первых принципов. Эти полимеры энергетически более выгодны, чем соответствующие графаны при атмосферном давлении, и семь из них являются более стабильными, чем фуллерен C₆₀, что указывает на возможность их существования. Механическая и динамическая стабильность таких кристаллических структур подтверждаются расчетом их упругих констант и кривыми дисперсии фононов соответственно. Недавно осуществленное моделирование переменной ячейки возбужденной упругой зоны показало, что превращение графан → полимер происходит при более низком энергетическом барьере, чем превращение графит → алмаз. Установлено, что два полимера графана являются сверхтвердыми, а другие – твердыми материалами. Эти полимеры графана имеют электронные свойства, изменяющиеся от металлических до полупроводниковых.