Влияние давления на структуру и электронные свойства кристаллогидратов карбоната кальция

УДК 548

  • Елена Сергеевна Бызова Кемеровский государственный университет (Кемерово, Россия)
  • Дмитрий Васильевич Корабельников Кемеровский государственный университет (Кемерово, Россия)
Ключевые слова: кристаллогидраты, карбонат кальция, расчеты, давление, структура, сжимаемость, плотности состояний, ширина запрещенной зоны

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

Данные скачивания пока не доступны.

Metrics

Загрузка метрик ...

Биографии авторов

Елена Сергеевна Бызова, Кемеровский государственный университет (Кемерово, Россия)

магистрант

Дмитрий Васильевич Корабельников, Кемеровский государственный университет (Кемерово, Россия)

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической физики

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.

Опубликован
2020-09-09
Как цитировать
1. Бызова Е. С., Корабельников Д. В. Влияние давления на структуру и электронные свойства кристаллогидратов карбоната кальция // Известия Алтайского государственного университета, 2020. № 4(114). С. 33-38. URL: http://izvestiya.asu.ru/article/view/%282020%294-05.