从单间质到六间质：金刚石中碳缺陷的计算洞察

我们对金刚石中碳自间质缺陷进行了全面的第一性原理研究，范围从单间质到六间质复合体。通过量子力学密度泛函理论，并结合原子间势模型，我们高效地采样了复杂的构型景观，识别出已知和先前未报告的缺陷几何形态。我们的结果揭示了一个显著的能量驱动聚集趋势：每个间质的形成能从孤立的劈裂间质到紧凑的多间质簇系统性地降低，其中四间质板状结构作为一种特别稳定的结构基元出现。此外，电荷分析表明，金刚石中共价键合在缺陷中心处变得更具极性。对缺陷能级的分析表明，只有所研究的单间质、双间质、五间质和六间质复合体引入了带隙内电子态，而三间质和四间质簇在电子上是惰性的。振动光谱进一步揭示自间质产生特征性特征。缺陷核心内的短碳-碳键产生1375至1925 cm⁻¹之间的高频振动模式，这些模式具有强红外活性但拉曼活性较弱。通过对亚稳态构型的系统分析，我们将3H缺陷中心识别为中性双间质缺陷。基于这一识别，我们进一步提出TR12中心可能源自含有3H的缺陷，如亚稳态六间质构型。综合来看，这些发现为碳自间质的结构、电子和振动特征提供了连贯的图景，并建立了其实验识别的稳健框架。