SiO₂方石英的结构稳定性与晶格动力学

SiO₂的相包括α方石英和β方石英，它们在 proposed 结构归属和相变机制方面有着长期且颇具争议的历史。近期，Zhang和Scott发现了新的证据表明高温β相具有空间群I-42d，并通过假设相之间存在子群-超群关系，论证了低温α相应具有比广泛接受的P4₁2₁2空间群更低的对称性。在此动机下，我们利用第一性原理计算研究了P4₁2₁2和I-42d结构的能量、结构和局部稳定性。我们还计算了两种结构的区中心声子模式频率，以及I-42d结构的某些区边界模式频率，并与实验进行了比较。随后我们论证了各种P4₁2₁2和I-42d对映体可以归为三个簇，每个簇对应于P2₁2₁2₁对称性的三维结构流形，其中P4₁2₁2和I-42d作为更高对称性的特殊情形出现。我们发现流形之间的能量势垒相对较高，而流形内部的势垒较低。探索其中一个流形的能量景观，我们发现了一条连接P4₁2₁2和I-42d结构的最低能量路径，其势垒低至约每化学式单位5 meV。讨论了相变机制的可能启示。