Technical Report of ISSP Ser. A: Number 3188

Abstract

The activation barriers and the intermediate paths of the transformation to cubic diamond and that to hexagonal diamond from graphite under pressure allowing both atomic geometry and unit-cell shape to vary have been investigated in order to clarify the difference of the microscopic mechanisms between them. For this investigation, a new method of finding a saddle point of the potential surface automatically have been developed on the basis of the constant-pressure first-principles molecular dynamics. At the transition states, the length of the interlayer bonding is universal irrespective of the transformations and pressures, while there is a difference in the lateral displacement of atoms on the paths towards them. It is found that the activation barrier from graphite to cubic diamond is lower than that to hexagonal diamond by approximately 70 meV/atom. These results suggest that, whenever collective slide of graphite planes is allowed, the transformation to cubic diamond is favored, and that hexagonal diamond can be obtained only when such slide is prohibited.

原子形状と単位格子形状を変化させる圧力下でのグラファイトから立方晶ダイヤモンドおよび六方晶ダイヤモンドへの変換の活性化障壁および中間径路を調べ、それらの間の微視的機構の差異を明らかにした。このために、定圧第一原理分子動力学に基づいて自動的にポテンシャル面の鞍点を見いだす新しい方法を開発した。転移状態では、層間結合の長さは変換および圧力に関係なく一定であるが、変換径路における原子の側面変位には差がある。グラファイトから立方晶ダイヤモンドへの活性化障壁は六方晶ダイヤモンドの場合に比べて約70meV/原子だけ低いことが分かった。これらの結果は、グラファイト面の集団的すべりが許される場合には立方晶ダイヤモンドへの変換が支配的であり、このようなすべりが禁止される場合のみ六方晶ダイヤモンドが得られることを示している。