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First principles investigations in the carbon silicon system of novel tetragonal C8 (diamond) and Si8 allotropes and binary Si4C4 phase

钻石 四方晶系 材料科学 密度泛函理论 结晶学 碳纤维 碳化硅 电子能带结构 凝聚态物理 晶体结构 计算化学 化学 物理 光电子学 复合数 冶金 复合材料
作者
Samir F. Matar
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2207.10359
摘要

Novel extended networks of C8, Si8 and silicon carbide Si4C4 are proposed based on crystal chemistry rationale and optimized structures to ground state energies and derived physical properties within the density functional theory (DFT). The two carbon and silicon allotropes and the silicon carbide belong to primitive tetragonal space group P-4m2 Number 115. C8 allotrope structure made of corner sharing C4 and Si4 tetrahedra is illustrated by charge density projections exhibiting sp3 like carbon hybridization. From careful symmetry analysis, Symmetry analysis of C8 indicated that it is another representation of cubic diamond, space group F-d3m Number 227. C8 is identified as ultra-hard with a similar magnitude of Vickers hardness. The interest in C8 is to serve as template to study Si8 and Si-C binary. Si8 allotrope is found soft with HV =13 GPa alike cubic Si, and Si4C4 is identified with HV =33 GPa close to experimental SiC. All three new phases are mechanically (elastic constants) and dynamically (phonons) stable, and their electronic band structures are characteristic of insulating C8 (diamond) with large band gaps of about 5 eV, and semi-conducting Si8 and Si4C4 with band gaps of about 1 eV.
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