基于密度泛函理论的三维 $sp^2$-free 图龙纳米材料理论预测

Djardiel da S. Gomes; Alexandre F. Fonseca; Marcelo L. Pereira

基于密度泛函理论的三维 $sp^2$-free 图龙纳米材料理论预测

介观与纳米尺度物理 2026-03-26 v1 材料科学

作者: Djardiel da S. Gomes , Alexandre F. Fonseca , Marcelo L. Pereira

摘要

寻找具有精确维度和性质的碳基材料仍是材料科学中的重要议题，尤其是用于电子学、光子学和纳米机械领域。在此背景下，图龙 (GY) 代表了由苯环通过乙炔链连接而构成的二维 (2D) 碳全形态，网络中包含 $sp$ 和 $sp^2$ 杂化碳原子。通过类似将 $sp^2$ 碳网络如石墨转化为 $sp^3$ 键合金刚石的过程，本文通过脱垂乙炔桥接堆叠的 $\alpha$ -、 $\beta$ -、 $\gamma$ -GY 薄片，构建三维 (3D) GY 衍生框架 (3DGY)。这种方法将原始 $sp^2$ 节点转换为 $sp^3$ 中心，同时保持乙炔段的 $sp$ 杂化特征，产生完全 $sp$ - $sp^3$ 碳网络。结构弛豫显示， $\alpha$ -衍生框架在此方案下未收敛到稳定配置，而 $\beta$ - 和 $\gamma$ -3DGY 相形成稳定体系结构。密度泛函理论 (DFT) 计算结合初步分子动力学 (AIMD) 模拟，确认了这些体系的能量、热力学和动力学稳定性，并进一步用于探讨其结构、机械、电子和光学性质。机械分析揭示各向异性弹性行为，而电子结构计算显示 $\beta$ -3DGY 和 $\gamma$ -3DGY 的间接带隙分别约为 0.15 eV 和 1.65 eV。光学计算进一步揭示各向异性响应，吸收范围覆盖从红外到可见光。这些结果确定了 $\beta$ -3DGY 和 $\gamma$ -3DGY 作为具有不同机械、电子和光学性质的新型三维碳全形。

关键词

图龙密度泛函理论三维碳全形 $sp^3$ 杂化电子性质机械稳定性光学性质

引用

@article{arxiv.2603.23712,
  title  = {Theoretical Prediction of Three-Dimensional $sp^2$-free Graphyne-Based Nanomaterials via Density Functional Theory},
  author = {Djardiel da S. Gomes and Alexandre F. Fonseca and Marcelo L. Pereira},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2603.23712},
  year   = {2026}
}

备注

30 pages, 8 figures

基于密度泛函理论的三维 $sp^2$-free 图龙纳米材料理论预测

摘要

关键词

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