🔬 Новости науки. Дегидрирование диамана: от водородных дивакансий к квантовым точкам

Диаман - квазидвумерный материал, образующийся из двухслойного графена при ковалентном сшивании слоев с последующей химической функционализацией атомов углерода, - в гидрогенизированной форме (C₂H) обладает высокой термической стабильностью и широкой запрещенной зоной (~3.2 эВ), что делает его перспективным материалом для цельноуглеродной 2D-электроники. Понимание механизмов термического разложения диамана принципиально важно как для оценки температурных пределов его работоспособности, так и для целенаправленного формирования гибридных углеродных гетероструктур. Доцент кафедры ФТТиН к.ф.-м.н. Алексей Игоревич Подливаев (Лаборатория компьютерного моделирования функциональных материалов и наноструктур) и руководитель лаборатории 2D-наноматериалов д.ф.-м.н. Константин Петрович Катин провели молекулярно-динамическое исследование (МД) дегидрирования диамана при нагреве - от зарождения первых вакансий до формирования субнанометровых квантовых точек. Работа опубликована в журнале Diamond & Related Materials (IF = 5.1).

🎯 Ключевые аспекты публикации (неортогональная модель сильной связи, NTBM, МД):
• Метод и объект: расчеты выполнены методом сильной связи (NTBM) для суперъячейки C₉₆H₄₈ в периодических граничных условиях с термостатом Андерсена и шагом интегрирования 0.3 фс. Валидация метода проведена на графане: вычисленный барьер десорбции водорода 2.33–2.36 эВ хорошо согласуется с экспериментальным 2.28 эВ.
• Преобладающий механизм десорбции: из 48 траекторий десорбция молекулы H₂ наблюдалась лишь в 7 случаях, тогда как десорбция атомарного водорода имела место в 41 случае. Причина - расстояние ~2.5 Å между ближайшими атомами водорода в диамане, препятствующее эффективному образованию молекулы H₂.
• Энергетика первой вакансии: энергия активации десорбции первого атома водорода составляет 2.59 эВ, что и обусловливает высокую термическую стабильность диамана.
• Быстрое формирование дивакансии: наличие водородной вакансии снижает барьер десорбции второго атома водорода - с противоположного углеродного слоя - до 1.74 эВ, что приводит к стремительному превращению одиночной вакансии в дивакансию.
• Рост дивакансии: атомы водорода, соседствующие с дивакансией (26% от всех атомов H), дают 82% событий атомарной десорбции. Барьер для третьего атома составляет 2.46 эВ. Дегидрированные области разрастаются, межслоевые связи C–C в них рвутся и формируется двухслойный графен, тогда как гидрированные домены сохраняют ковалентные межслоевые связи.
• Структура "половинно-дегидрированного диамана": из всех рассмотренных структур C₉₆H₂₄ наиболее энергетически выгодной оказывается конфигурация с четко разделенными областями дегидрированного двухслойного графена и гидрированного диамана - прямое подтверждение гипотезы о росте дегидрированных областей.
• Минимальный устойчивый гидрированный домен: квантовая точка диамана, содержащая 8 атомов водорода (по 4 с каждой стороны углеродного каркаса) с диаметром ~0.3 нм, защищена барьером разрыва межслоевой связи в 2.31 эВ - величиной, сопоставимой с барьером десорбции водорода, что свидетельствует о ее устойчивости.

🌟 Общий вывод: Впервые на атомном уровне исследован полный механизм термического дегидрирования диамана. Показано, что процесс протекает через последовательное зарождение и рост водородных дивакансий, трансформацию дегидрированных областей в двухслойный графен при сохранении гидрированных доменов-квантовых точек субнанометрового масштаба. Сосуществование диэлектрических (диаман) и проводящих (двухслойный графен) фаз в частично дегидрированном диамане открывает возможность создания цельноуглеродных гетероструктур для устройств 2D-наноэлектроники.

📄 С публикацией можно ознакомиться по ссылке: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2026.113779

#новостикафедры #наука #диаман #молдинамика #2Dматериалы #квантовыеточки