椅式石墨烷中的同位素效应

石墨烷是一种层状材料，由氢化石墨烯片层构成，C:H比为1:1。我们研究了椅式石墨烷性质中的同位素效应，其中H原子在碳层两侧以椅式构型交替排列。我们采用路径积分分子动力学模拟，该方法可分析核量子效应对材料平衡变量的影响。利用高效紧束缚势，在50–1500 K温度范围内研究了石墨烷的有限温度性质随组成原子同位素质量的变化关系。给出了动能与内能、原子均方位移、C–H键方向上的涨落，以及原子间距离和层面积的结果。在低温下，用$^{13}$C替代$^{12}$C使C–C距离发生$-2.6 \times 10^{-4}$的分数变化，石墨烷层面积发生$-3.9 \times 10^{-4}$的分数变化。用$^2$H替代$^1$H导致C–H键发生更大的分数变化，为$-5.7 \times 10^{-3}$。施加面内拉伸（压缩）应力会使C–C键距离中的同位素效应增大（减小）。这些结果用振动模式的准谐近似进行了解释。并讨论了其与石墨烯中同位素效应的异同。