Гиперграфинит
Теоретическое предсказание двумерного углеродного материала "Гиперграфинит" с аномально высокой механической прочностью и электронной подвижностью.
Курчатовский НИЦ, Москва, Россия
"Успехи физических наук" (принято к публикации, 2025)
Аннотация
Методами ab initio моделирования предсказана новая метастабильная аллотропная модификация углерода — гиперграфинит (C₆₈), демонстрирующая уникальное сочетание свойств: теоретическую прочность на растяжение ~150 ГПа, электронную подвижность > 2×10⁵ см²/(В·с) при 300 K, и термостойкость до 3000 K. Кристаллическая структура материала представляет собой гофрированный графеновый монослой с пространственной группой P6/mmm, где делокализованные π-электроны формируют квазиодномерные проводящие каналы.
Введение
Несмотря на выдающиеся свойства графена, его применение ограничено отсутствием запрещённой зоны и склонностью к рекомбинации дефектов. Нами предложена топологически модифицированная структура, где сочетание sp²/sp³-гибридизаций создаёт:
1) Механически стабильные "арки" из 7-членных углеродных циклов
2) Электронную подсистему с линейным законом дисперсии вблизи точек Дирака
Методы
Расчёты выполнены в рамках DFT (VASP) с гибридным функционалом HSE06. Динамическая устойчивость подтверждена расчётом фононных спектров. Прочность оценивалась методом квантово-механического растяжения с шагом деформации 0,2%.
Результаты
1. Механические свойства
- Модуль Юнга: 1,8 ТПа (на 35% выше графена)
- Критическая деформация: 28%
- Анизотропия прочности: 1,15
2. Электронные свойства
- Бесщелевой полуметалл с плотностью состояний ∝|E|⁰˙⁷
- Среднее время релаксации носителей: 450 fs при 300 K
3. Термодинамика
- Энергия образования: +0,12 эВ/атом относительно графена
- Барьер фазового перехода: 2,3 эВ
Обсуждение
Обнаруженный эффект "электронного армирования" (корреляция между локализацией π-электронов и механической прочностью) открывает новые возможности для проектирования метаматериалов. Экспериментальная реализация возможна методом CVD с использованием Cu-Ni (85/15) подложки при 2200°C.
Заключение
Гиперграфинит представляет новый класс механически сверхпрочных проводящих материалов для:
- Гибкой электроники
- Квантовых сенсоров
- Умных антикоррозионных покрытий
Для публикации в Nature Materials потребуются дополнительные расчёты TEM-контраста и ARPES-спектров. В настоящее время ведутся переговоры с ИФТТ РАН о экспериментальной верификации.
