IV族元素(碳硅锗)具有丰富的结构多样性。由于其特有的共价键结构,它们具有许多类似的特性,同时共价的强弱也引起一些不同的性质。单质碳通常以石墨和金刚石两种晶型存在。高温高压(大于1300K,15GPa)下层状石墨碳可形成金刚石结构;在室温高压(冷压)下,实验发现石墨碳存在一个高压相变,但是长期以来关于石墨碳的冷压相变机制及其高压相的晶体结构一直困扰着实验和理论科学工作者。我们通过第一性原理计算系统地研究了层状石墨碳的冷压相变机制。研究表明石墨冷压高压相三维碳晶体结构在压力作用下可通过石墨碳层间的滑动、扭曲、重构形成,但是当压力解除时呈现可逆反应并恢复到石墨碳的层状结构。这一发现完美地再现和解释了石墨的冷压实验现象。另一方面,硅锗常温常压下以金刚石结构存在,在冷压条件下,形成正方锡(white-Tin)结构。但是这种相变呈现不可逆性,在降压过程中,硅形成立方BC8结构,锗形成正方ST12结构。本报告从反应势垒和能量两方面系统地阐述其内在的高压相变机制。
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