Metastable host–guest structure of carbon

Abstract

A family of metastable host–guest structures, the prototype of which is a tetragonal tP9 structure with 9 atoms per cell has been found. It is composed of an 8-atoms tetragonal host, with atoms filling channels oriented along the c-axis. The tP9 structure has a strong analogy with the recently discovered Ba-IV- and Rb-IV-type incommensurate structures. By considering modulations of the structure due to the variations of the host/guest ratio, it has been concluded that the most stable representative of this family of structures has a guest/host ratio of 2/3 and 26 atoms in the unit cell (space group P42/m). This structure is 0.39 eV/atom higher in energy than diamond. We predict it to have band gap 4.1 eV, bulk modulus 384 GPa, and hardness 61–71 GPa. Due to the different local environments of the host and guest atoms, we considered the possibility of replacing carbon atoms in the guest sublattice by Si atoms in the tP9 prototype and study the properties of the resulting compound SiC₈, which was found to have similarly remarkably high bulk modulus 361.2 GPa and hardness 46.2 GPa.

Повідомляється про сімейство метастабільних структур господаргість, прототипом якого є тетрагональна структура tP9 з дев’ятьма атомами в комірці. Вона складається з восьми атомів тетрагонального господаря, що заповнюють канали, орієнтовані вздовж осі с. Структура tP9 аналогічна недавно відкритим Ba-IV- й Rb-IV-типам несумірних структур. Враховуючи модуляцію структури через варіацій співвідношень господар/гість, зроблено висновок, що найбільш стабільний представник цього сімейства структур має відношення гість/господар – 2/3 і 26 атомів в елементарній комірці (просторова група P42/m). Енергія цієї структури на 0,39 еВ/атом вище, ніж алмазу. Ця структура, за прогнозами, повинна мати заборонену зону – 4,1 еВ, об’ємний модуль – 384 ГПа, а твердість – 61–71 ГПа. Через різні локальні стани атомів господаря і гостя розглянуто можливість заміни атомів вуглецю гостьової підґратки атомами Si в прототипі tP9 і вивчені властивості отриманої сполуки SiC₈, які, як було виявлено, мають вельми високий об’ємний модуль пружності – 361,2 ГПа і твердість 46,2 ГПа.

Сообщается о семействе метастабильных структур хозяин–гость, прототипом которого является тетрагональная структура tP9 с девятью атомами в ячейке. Она состоит из восьми атомов тетрагонального хозяина, заполняющих каналы, ориентированные вдоль оси с. Структура tP9 аналогична недавно открытым Ba-IV- и Rb-IV-типам несоразмерных структур. Учитывая модуляцию структуры из-за вариаций отношения хозяин/гость, сделан вывод, что наиболее стабильный представитель этого семейства структур имеет отношение гость/хозяин – 2/3 и 26 атомов в элементарной ячейке (пространственная группа P42/m). Энергия этой структуры на 0,39 эВ/атом выше, чем алмаза. Эта структура, по прогнозам, должна иметь запрещенную зону – 4,1 эВ, модуль объемного сжатия – 384 ГПа, а твердость – 61–71 ГПа. Из-за различных локальных состояний атомов хозяина и гостя рассмотрена возможность замены атомов углерода гостевой подрешетки атомами Si в прототипе tP9 и изучены свойства полученного соединения SiC₈, которое, как было обнаружено, имеет весьма высокий модуль объемного сжатия – 361,2 ГПа и твердость 46,2 ГПа.