Влияние давления на структуру и электронные свойства кристаллогидратов карбоната кальция
УДК 548
Аннотация
На основе теории функционала плотности (DFT) и метода линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО) проведено исследование зависимости структуры и электронных свойств кристаллогидратов CaCO3-H2O и CaCO3-6H2O от давления. Расчеты проведены с помощью программного пакета CRYSTAL17 и градиентного функционала PBE. Вычислены параметры решеток кристаллогидратов карбоната кальция и их зависимости от внешнего гидростатического давления. Представленные в настоящей работе расчетные данные хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными измерениями. На основе вычисленных зависимостей структурных параметров от давления получены зависимости линейной сжимаемости от направления. Показано, что линейная сжимаемость гексагидрата карбоната кальция, в отличие от моногидрата карбоната кальция, является сильно анизотропной (наименьшая и наибольшая величины сжимаемости соотносятся как K max /K min ~ 4). При этом максимальная сжимаемость реализуется не вдоль кристаллографических осей, а между ними (между осей a и с). Объемный модуль сжатия для моногидрата (CaCO3-H2O) больше, чем для гексагидрата (CaCO3-6H2O). Вычислены полные и парциальные плотности электронных состояний для CaCO3-H2O и CaCO3-6H2O. Также для кристаллогидратов карбоната кальция установлены зависимости ширин запрещенных зон от давления. Показано, что с ростом давления ширина запрещенной зоны для CaCO3-6H2O увеличивается в большей степени, чем для CaCO3-H2O.
Скачивания
Metrics
Литература
Javoy M., Pineau F., Allbgre C. Carbon geodynamic cycle // Nature. 1982. Vol. 300. DOI: 10.1038/300171a0.
Zhang Y., Zindler A. Distribution and evolution of carbon and nitrogen in Earth // Earth Planet. Sci. Lett. 1993. Vol. 117. DOI: 10.1016/0012-821X(93)90088-Q.
Lee K., Wagermaier W, Masic A., Kommareddy K.P., Bennet M. Self-assembly of amorphous calcium carbonate microlens arrays // Nature Comm. 2012. Vol. 3. DOI: 10.1038/ncomms1720.
Hirano S., Yogo T., Kikuta K. Synthetic calcite single crystals for optical device // Prog. Crystal Growth and Charact. 1991. Vol. 23. DOI: 10.1016/0960-8974(92)90027-N.
Addadi L., Raz S., Weiner S. Amorphous calcium carbonate and its roles in biomineralization // Adv. Mater. 2003. Vol. 15. DOI: 10.1002/adma.200300381.
Nooijer L.J., Spero H.J., Erez J., Bijma J., Reichart G.J. Biomineralization in perforate foraminifera // Earth-Science Reviews. 2014. Vol. 135. DOI: 10.1016/j.earscirev.2014.03.013.
Lennie A.R., Tang C.C., Thompson S.P. The structure and thermal expansion behavior of ikaite, CaCO3-6H2O, from 7=114 to T=293 K // Mineral. Magaz. 2004. Vol. 618. DOI: 10.1180/0026461046810176.
Marschner H. Hydrocalcite (CaCO3-H2O) and nes-quehonite (MgCO3-3H2O) in carbonate scales // Science. 1969. Vol. 165. DOI: 10.1126/science.165.3898.1119.
Swainson I.P The structure of monohydrocalcite and the phase composition of the beachrock deposits of Lake Butler and Lake Fellmongery // Am. Mineral. 2008. Vol. 93. DOI: 10.2138/am.2008.2825.
Tateno N., Kyono A. Structural change induced by dehydration in ikaite (CaCO3-6H2O) // J. Mineral. Petrol. Sci. 2014. Vol. 109. DOI: 10.2465/jmps.140320.
Lennie A.R. Ikaite (CaCO3-6H2O) compressibility at high water pressure: a synchrotron X-ray diffraction study // Mineral. Magaz. 2005. Vol. 69. DOI: 10.1180/0026461056930254.
Demichelis R., Raiteri P., Gale J.D. Structure of hydrated calcium carbonates: A first-principles study // J. Cryst. Growth. 2014. Vol. 401. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.10.064.
Costa S.N., Freire V.N., Caetano E.W., Maia F.F., Barboza C.A. DFT Calculations with van der Waals Interactions of Hydrated Calcium Carbonate Crystals CaCO3-(H2O, 6H2O): Structural, Electronic, Optical, and Vibrational Properties // J. Phys. Chem. A. 2016. Vol. 120. DOI: 10.1021/acs.jpca.6b05436.
Korabel’nikov D.V, Zhuravlev Yu.N. Compressibility Anisotropy and Electronic Properties of Oxyanionic Hydrates // J. Phys. Chem. A. 2017. Vol. 121. DOI: 10.1021/acs.jpca.7b04776.
Becke A.D. Perspective: Fifty years of density-functional theory in chemical physics // J. Chem. Phys. 2014. Vol. 140. DOI: 10.1063/1.4869598.
Dovesi R., Erba A., Orlando R, Zicovich-Wilson C.M., Civalleri B. Quantum-mechanical condensed matter simulations with CRYSTAL // WIREs Comput. Mol. Sci. 2018. Vol. 8. DOI: 10.1002/wcms.1360.
Perdew J.P, Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
CRYSTAL-Basis Sets Library. URL: https://www.crystal.unito.it/basis-sets.php.
Broyden C.G. The convergence of a class of double-rank minimization algorithms // J. Appl. Math. 1970. Vol. 6. DOI: 10.1093/imamat/6.3.222.
Cliffe M.J., Goodwin A.L. PASCal: a principal axis strain calculator for thermal expansion and compressibility determination // J. Appl. Cryst. 2012. Vol. 45. DOI: 10.1107/ S0021889812043026.
