Molecular dynamics simulation of phase transitions in liquid carbon

Abstract

Thermodynamic properties and phase transformations in amorphous carbon and in supercooled liquid carbon are studied by the method of molecular dynamics (MD). The dependence of the diamond melting temperature on pressure is found. The percolation properties of structures of liquid carbon with embedded diamond nanocrystals are studied. It is shown that sp³ atoms form a percolation cluster in the simulation volume when their total concentration reaches the value close to 0.38. At temperatures less than 5000 K the stability of diamond nanocrystals correlates with the existence of percolation cluster of sp³ atoms. We propose the following topological criterion: amorphous carbon is diamond-like if the percolation cluster exists and the embedded diamond nanocrystals are stable.

Методом молекулярно-динамічного моделювання вивчені термодинамічні властивості і фазові перетворення в переохолодженій рідині вуглецю. Знайдено залежність температури плавлення алмаза від тиску. Вивчені перколяційні властивості структур sp³ (чотирьох-координованих) атомів, що утворюються у рідкому вуглецю з різною кількістю впроваджених кристалітів алмаза. Показано, що незалежно від кількості вбудованих кристалітів алмаза, кластер 4-координованих атомів, що протікає, виникає, коли їхня сумарна концентрація в структурі досягає величини близької до 0.38. Виявляється, що стійкість кристалітів алмаза, впроваджених у переохолоджену рідину, корелює з наявністю кластера sp³ атомів, що протікає. Зв'язок стійкості кристалітів із протіканням зникає при температурі більш 5000 К. Запропоновано топологічний критерій для визначення тетрагонального (алмазоподібного) вуглецю: аморфний вуглець є алмазоподібним, якщо в ньому існує кластер що протікає, і вбудовані кристаліти алмаза стійкі.

Методом молекулярно-динамического моделирования изучены термодинамические свойства и фазовые превращения в переохлажденной жидкости углерода. Найдена зависимость температуры плавления алмаза от давления. Изучены перколяционные свойства структур sp³ (4-координированных) атомов, образующихся в жидком углероде с различным количеством внедренных кристаллитов алмаза. Показано, что независимо от количества внедренных кристаллитов алмаза, протекающий кластер 4-координированных атомов возникает, когда их суммарная концентрация в структуре достигает величины близкой к 0.38. Оказывается, что устойчивость кристаллитов алмаза, внедренных в переохлажденную жидкость, коррелирует с наличием протекающего кластера sp³ атомов. Связь устойчивости кристаллитов с протеканием исчезает при температуре более 5000 К. Предложен топологический критерий для определения тетрагонального (алмазоподобного) углерода: аморфный углерод является алмазоподобным, если в нем существует протекающий кластер и внедренные кристаллиты алмаза устойчивы.