Трансформация ковалентных связей в материалах, образованных углеродными нанокластерами, при высоких давлениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Хоробрых Фёдор Сергеевич

• Хоробрых Фёдор Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Хоробрых Фёдор Сергеевич

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Полимеризация фуллерена

1.2 Модели полимеризованных фаз Сбо

1.3 Особенности комбинационного рассеяния света в аморфных углеродных материалах

1.4 Влияние примесей на полимеризацию Сбо

1.5 Механические свойства полимеров, синтезированных из фуллерена при высоких давлениях

1.6 Аморфные твердые тела

2. Экспериментальная часть

2.1 Получение исходных материалов

2.2 Комбинационное рассеяние света и инфракрасная спектроскопия

2.3 Просвечивающая электронная микроскопия

2.4 Сканирующая электронная микроскопия

2.5 Рентгеновская дифрактометрия

2.6 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

2.7 Моделирование колебательных и механических свойств углеродных кластеров

2.8 Получение ультратвердых аморфных материалов при высоких давлениях

2.9 Оценка негидростатичности среды

2.10 Оценка объемного модуля упругости методом пьезоспектроскопии

3. Особенности структуры ультратвердого фуллерита

3.1 Кластерная структура ультратвердого фуллерита

3.2 Влияние кинетики при высоких давлениях на кластерную структуру ультратвердого фуллерита

3.3 Влияние фотоинициализированных превращений в ультратвердом фуллерите при высоких давлениях

4. Влияние исходных углеродсодержащих веществ на полимеризацию и структуру аморфного ковалентно связанного углерода

4.1 Полимеризация фуллерена при добавлении сероуглерода

4.2 Полимеризация фторофуллеренов и хлорофуллеренов

4.3 3D полимеризация ковалентного триазинового каркаса

Заключение

Благодарности

Публикации автора по теме диссертации

Доклады на конференциях

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трансформация ковалентных связей в материалах, образованных углеродными нанокластерами, при высоких давлениях»

Введение

Углерод является уникальным химическим элементом. Существует большое количество аллотропных модификаций углерода из-за способности углерода образовывать ковалентные связи в различных гибридизованных состояниях, что приводит к появлению разных материалов, таких как наноалмазы, графит, графен, углеродные нанотрубки, фуллерены, линейные цепочки, онионоподобные структуры и т.д. [1]. Одной из важных аллотропных модификаций углерода является фуллерен (Сбо). На основе фуллерена при высоких давлениях и температурах получаются уникальные по механическим свойствам аморфные материалы. В частности, таким материалом является ультратвердый фуллерит, который может состоять из различного рода кластерных структур [2,3]. Свойства самого материала напрямую зависят от способа получения. Получение ультратвердых материалов возможно не только с использованием фуллерена, как основного источника углерода, но и с применением других углеродсодержащих веществ [3,4]. В общем случае, изменение условий получения влияет на формирование кластерных структур и, как следствие, на механические свойства образцов и образование ковалентных связей между отдельными кластерами.

Алмаз и ультратвердый фуллерит обладают самыми высокими значениями твердости и объемного модуля упругости. Значения объемного модуля упругости ультратвердого фуллерита находятся выше 600 ГПа [3,5,6]. Для сравнения, объемный модуль упругости алмаза равен 443 ГПа [7]. Твердость ультратвердого фуллерита находится в диапазоне от 200 до 300 ГПа, что превышает твердость алмаза (167 ГПа для грани {111}) [8]. Алмаз является кристаллом, тогда как ультратвердый фуллерит имеет аморфную структуру. Исследование аморфной углеродной структуры с высоким количеством Бр3 гибридизованных связей (более 90%) [9,10] в настоящее время имеет большой интерес.

Одной из особенностей большинства углеродных материалов является их метастабильность на уточненной фазовой диаграмме углерода [11]. Помимо высоких давлений и температур, структура ультратвердого фуллерита может зависеть от времени синтеза и воздействия лазерного облучения при высоких давлениях. Так как ультратвердый фуллерит является метастабильным материалом при нормальных условиях, то при определенных условиях синтеза может происходить графитизация или рост алмазов из ультратвердого фуллерита. Разупорядочение в ультратвердом фуллерите позволяет определить его структуру как набор различных видов кластеров с разным механизмом образования ковалентных связей с соседними кластерами. Поэтому в ультратвердом фуллерите уже можно не говорить о чистой Бр3 гибридизации, так как углы и расстояния между связями неодинаковы.

Однако, остается не до конца понятной проблема формирования ковалентных связей при высоком давлении при использовании разных по свойствам исходных углеродсодержащих веществ и различных условий синтеза. Как влияют различные кластерные структуры на особенности ультратвердого фуллерита? Присутствует ли взаимосвязь между различными Бр3 гибридизованными углеродными материалами, такие как ультратвердый фуллерит и наноалмазы? В данной работе трансформация нанокластеров рассматривается в основном в аморфных структурах, полученных с использованием фуллерена в качестве исходного материала.

Цель исследования:

Получение и исследование ультратвердых углеродных материалов, образованных различными нанокластерными структурами, при высоких давлениях.

Задачи:

1. Исследование кластерной структуры ультратвердого фуллерита при давлениях до 90 ГПа;

2. Исследование кинетики и фотоинициализированных превращений при высоких давлениях в ультратвердом фуллерите;

3. Исследование влияния атомов S, N F, И на формирование углеродных кластеров, образованных ковалентными связями, при высоких давлениях и сдвиговых деформациях;

4. Исследование механических свойств кластерных углеродных структур.

Основные методы исследования

Материалы на основе фуллерена были исследованы при высоких давлениях с использованием многоволновой спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) при возбуждении на длинах волн от 257 до 1064 нм, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения. Для объяснения экспериментальных данных было проведено моделирование фононной плотности состояний и зависимости средней силовой константы связи в углеродных кластерах от их размера. Эксперименты при высоких давлениях проводились в сдвиговых камерах с алмазными наковальнями (СКАН).

Научная новизна

Обнаружено, что аморфная структура ультратвердого фуллерита состоит из Бр3 гибридизованных нанокластеров, которые различаются механическими свойствами и характеризуются различными полосами в спектрах КРС. В спектрах КРС можно выделить линии

каждого типа кластера или группы кластеров при возбуждении на разных длинах волн в диапазоне от 257 до 1064 нм. При возбуждении на длине волны 1064 нм наблюдается резонансный спектр КРС. При наблюдении резонансных эффектов в КРС показано, что спектры наноалмазов размером 2-5 нм и ультратвердого фуллерита имеют одни и те же характеристики, что говорит об одинаковых особенностях ковалентных связей в данных углеродных материалах. Обнаружено, что при длительном времени выдержки или при фотоинициализации процесса полимеризации Сбо при высоких давлениях могут формироваться наряду с кластерами, образующими ультратвердый фуллерит, наноалмазы и онионоподобные структуры. Показано, что в зависимости от типа допанта, прикрепленного к фуллерену, возникают различные способы образования ковалентных связей между Сбо при высоких давлениях. Прикрепление фтора или хлора к фуллерену препятствует полимеризации в направлении присоединения данных элементов, тогда как сероуглерод оказывает каталитическое действие, но уменьшает количество Бр3 связей в получившемся материале.

Научная и практическая значимость

Исследование углеродных нанокластерных фаз, из которых состоит ультратвердый фуллерит, является актуальным, так как сопряжено с передовыми физико-химическими и технологическими разработками в области синтеза материалов при высоких давлениях и температурах. Знание зависимости кластерной структуры аморфных материалов от различных факторов позволяет получать ультратвердые материалы с требуемыми уникальными механическими свойствами. Любое реальное продвижение в данной области быстро становится достоянием инновационных отраслей промышленности и повышает уровень научного и технологического развития страны.

Положения, выносимые на защиту

1. Структура ультратвердого фуллерита состоит из нанокластеров, образованных ковалентными связями с разным набором силовых констант и различными объемными модулями упругости от 560 ГПа до 730 ГПа;

2. Спектры КРС ультратвердого фуллерита зависят от длины волны возбуждающего излучения (резонансный эффект) и набора силовых констант, образующих кластеры: чем выше значения силовых констант, тем при более коротковолновом возбуждающем излучении наблюдается спектр КРС этого кластера;

3. Исследованы резонансные эффекты спектров КРС ультратвердого фуллерита и наноалмазов 2-5 нм при возбуждении на длине волны 1064 нм. Обнаружено, что структуру как наноалмазов, так и ультратвердого фуллерита можно представить, как смесь кластеров

различных типов. Результирующий спектр КРС обусловлен вкладом различных типов кластеров.

4. Присутствие сероуглерода в исходных образцах С60 оказывает существенное влияние на свойства и структуру ультратвердого фуллерита. В частности, уменьшается давление 3D полимеризации, и при этом уменьшается процент sp3 связей до 70% по сравнению с 92% в ультратвердом фуллерите, полученном без добавления сероуглерода.

5. Фторирование и хлорирование фуллерена оказывают при высоких давлениях эффект, при котором атомы фтора или хлора затрудняют образование ковалентных связей между молекулами С60.

Степень достоверности и апробация результатов

Результаты работы докладывались на 4 международных и 1 всероссийской конференциях (устные доклады). Результаты диссертации опубликованы в 6 рецензируемых журналах, которые индексируются базами Scopus и Web of science.

Личный вклад автора в работу

Результаты диссертации получены лично либо самим автором, либо при непосредственном участии автора в экспериментах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 113 страниц. В диссертацию включено 61 рисунок и 256 ссылок на литературные источники.

1. Литературный обзор

1.1 Полимеризация фуллерена

Фуллерен был открыт и получен Керлом, Смолли и Крото в 1985 году [12-14]. В настоящее время этот материал нашел свое применение в физике, химии, биологии и т.д. [13,15,16]. Молекула фуллерена С60 представляет собой закрытую сферическую оболочку, состоящую из 12 пентагональных и 20 гексагональных граней [13]. Теорема Эйлера для полиэдров дается выражением:

/ + V = е + 2, (1)

где /, V и е отображают количество граней, вершин и ребер соответственно. Связь между /, V, е и пентагонами (р) и гексагонами (Л) дается следующими формулами:

Г = р + К (2)

2е = 5р + 6Л, (3)

3р = 5р + 6Л. (4)

Из формул (1)-(4) получаем следующее выражение:

6 (/ + р-е) = р = 12. (5)

Видно, что фуллерены, в которых присутствуют гексагональные и пентагональные грани, должны иметь 12 пентагонов. Наиболее возможный низший фуллерен, который удовлетворяет данным условиям, должен быть С20. Молекула фуллерена имеет оси симметрии 2, 3 и 5 порядков [13]. Поэтому в случае образования межмолекулярных ковалентных связей (3Б полимеризация) молекула С60 может случайным образом располагаться в твердом теле, при этом кристаллическая структура не образуется [13,17].

Все атомы в молекуле фуллерена находятся в состоянии, близком к Бр2 гибридизации [13]. Длина связи в молекуле С60 между углеродными атомами, являющимися общими для пентагонов и гексагонов, составляет 1,45 А, а между только гексагонами длина связи С-С равна 1,4 А [13,18,19]. Размер молекулы фуллерена равен 7,1 А. В условиях окружающей среды молекулы фуллерена образует молекулярный кристалл с гранецентрированной кубической (гцк) структурой с постоянной решетки, равной приблизительно 14,17 А [20]. Другой менее стабильной структурой является плотно упакованная гексагональная решетка фуллерена с параметрами а=10 А и с=16,34 А [21-23]. Переход из гцк в простую кубическую решетку осуществляется при температуре ниже 255 К [20]. А при температуре ниже 90 К происходит переход в стеклообразное состояние [24-26]. Молекула фуллерена термически устойчива и

распадается при температурах выше 1000 °С [14,16]. Фуллерен является акцептором и обладает большим сродством к электрону (2,65 эВ) [13,14,27-29]. Для сравнения сродство к электрону у атома кислорода равно 1,46 эВ [30], а у фтора - 3,4 эВ [31]. Благодаря этому фуллерен можно допировать и использовать во многих химических процессах. Поскольку имеются п электронные состояния в молекуле фуллерена, то С60 может полимеризоваться за счет разрыва п связи и образование о связи, например, с другими молекулами С60.

При полимеризации фуллеренов часто образуется цикл между С60. И реакция образования связей между молекулами фуллеренами в результате полимеризации относится к циклоприсоединению В общем случае, циклоприсоединением называется реакция, в ходе которой две или более ненасыщенные молекулы образуют цикл с уменьшением кратности связи между атомами данного цикла [32,33]. Другими словами, циклоприсоединение Л(1 + ] + ...) - это реакция, в которой две или более молекулы (или части одной и той же молекулы) образуют цикл из ^ j, ... линейно связанных атомов, а атомы в данном цикле соединяются о-связями.

Полимеризация молекул фуллерена происходит под воздействием различных условий: высокие давления и температуры, фотоинициализация, под воздействием электронов, в плазме, механохимическая обработка [2,5,13,25,34-46]. При высоких давлениях и температурах, в результате воздействия лазерного излучения и в ходе химической реакции молекулы С60 образуют димеры [25,38,41,43,47-49]. Расстояние между молекулами С60, которые образуют димер, равно примерно 9,1 А [48]. Молекулы фуллерена могут образовывать связи между собой разными способами: посредством цепочек, циклов, одиночных связей [46,50-52]. Расчеты показывают, что имеется достаточно много комбинаций связывания фуллеренов в димеры [50]. Разложение димеров обычно происходит при температурах выше 250 °С [53,54]. Процесс димеризации при высоких давлениях и температурах происходит в основном через (2+2) циклоприсоединение [38,48,49]. Под давлением и под действием температуры происходит сближение мономеров из С60. В результате пары из молекул фуллерена оказываются в ориентации, при которой происходит раскрытие обращенных друг к другу двойных связей на каждой молекуле и образование четырехчленных колец. Димеры могут формироваться в интервале давлений от 0,8 до 6 ГПа и в температурном интервале от 300 до 600 К [25,43,48,49]. Причем определенная часть димеров остается в образце при образовании Ш и 2Б полимеров. При давлениях ниже 1,5 ГПа полимеризация С60 всегда приводит к структурному беспорядку [48,49]. При температуре выше 450 К случайно ориентированные димеры растут или сливаются за счет быстрого образования межмолекулярных связей, образуя неупорядоченную структуру, состоящую из олигомеров со случайной структурой.

При давлениях выше 1,5 ГПа и в температурном диапазоне от 500 до 700 К происходит формирование цепочечных структур (Ш полимеры) в 6 направлениях <110> в кубической

решетке [1,21,25,37,43,48,49,55-59]. Цепочечные структуры формируются в орторомбическую фазу. В интервале давлений от 2 до 8 ГПа и в температурном интервале от 500 до 900 К происходит образование 2Б структур путем соединения цепочек из фуллерена [1,25,37,43,48,49,54,55,58,59]. Двумерные полимеры из фуллерена формируют два вида структур: тетрагональную и ромбоэдрическую. Тетрагональная фаза формируется за счет соединения цепочечных полимеров направлении {100} кубической структуры. Ромбоэдрическая фаза С60 получается образованием ковалентных связей между Ш полимерами в направлении {111}. Схемы Ш и 2Б полимеров, образованных из фуллерена, приведены на Рис. 1. Параметры решеток Ш и 2Б структур фуллеритов зависят от условий синтеза. Однако, при синтезе данных полимерных соединений из фуллерена наблюдается смесь димеров, Ш и 2Б полимеров. Например, в работе [49] сообщается о том, что определенное количество тетрагональной фазы С60 было получено при давлении ниже 1,3 ГПа и при температуре ниже 500 К. При давлении 1,2 ГПа и температуре 573 К сформирована ромбическая фаза [37]. Четкого разграничения по температуре и давлению образования той или иной полимерной структуры из фуллерена не существует. Образование полимеров из фуллерена также зависит от времени синтеза [37,59]. Диаграммы синтеза, взятые из работ [43,48], приведены на Рис. 2. Полимеризация С60 наблюдается и в ограниченном пространстве, когда фуллерены заполняют полость углеродной нанотрубки [43,60]. Выше 1000 К 2Б полимер превращается в графитоподобную фазу [43,6163]. Спектры КРС чистого фуллерена, Ш и 2Б полимеров с обозначениями положений частот показаны на Рис. 3. По спектрам КРС можно определять сформировавшуюся фазу фуллерита.

Рис. 1. Схематическое структурное расположение молекул С60 в двумерных ромбоэдрических и тетрагональных (Т) полимерах и одномерных ромбических (О) цепочках [42].

Рис. 2. Две диаграммы синтеза С60, показывающие, при каких давлениях и температурах существуют димеры, Ш и 2Б полимеры [43,48].

\Vavenumbers (сгп")

Рис. 3. Спектры КРС исходного фуллерена, орторомбической, тетрагональной и ромбоэдрической фаз фуллерена [1].

Приложение больших пластических деформаций к образцу при высоких давлениях позволяет уменьшить гистерезис фазового перехода [64]. Пластические деформации осуществляются за счет приложения сдвиговых деформаций. Например, в СКАН сдвиг совершается благодаря вращению одной алмазной наковальни относительно другой при

постоянной нагрузке. Пластическая деформация при сдвиге является еще одним фактором помимо высоких давлений и высоких температур, который может инициировать фазовые превращения в образце. Приложение сдвиговых деформаций к образцу фуллерита при высоких давлениях уменьшает гистерезис перехода в другие полимерные фазы Сбо [34,65-68]. На этом основана методика определения давления фазового перехода [34]. При негидростатическом нагружении фуллерена возникают ступенчатые аномалии радиального распределения давления в сдвиговой камере с алмазными наковальнями. Данные аномалии связаны со структурными фазовыми переходами, когда происходит скачок объема и изменение упругих модулей в образце. Подобные скачки по давлению наблюдались в фуллеритах при сдвиговой деформации при давлениях 2,3 ГПа, 6 ГПа и 18 ГПа. Данные аномалии связывались со структурными фазовыми переходами в соответствующие состояния III, IV и V (фаза I является исходной, переход в состояние II наблюдается при давлении 0,3 ГПа). Переход II-III обратим, а фазы IV и V метастабильны при нормальных условиях. Спектры КРС IV и V фаз фуллерита представлены на Рис. 4. В основном V фаза фуллерита характеризуется широкой линией около 1550 см-1 при возбуждении на длине волны 514,5 нм [3,34]. Данная фаза фуллерита называется ультратвердой. Об этом, в частности, свидетельствует то, что во время синтеза при приложении сдвиговых деформаций на поверхности алмазных наковален появляются борозды [3,34,67]. Появление аномалий на распределении давления связано с эффектом самомультипликации, когда изменение давления в образце связано не только с изменением объема, но и с фазовым переходом, при котором происходит изменение упругих констант материала. Качественное объяснение данного явления дано в [65]. Пусть имеются два материала, у которых при одном и том же давлении р0 одинаковы упругие модули, но у первого материала они растут с ростом давления, а у другого -нет. Тогда в результате сдвига первый материал, например, претерпевает фазовый переход, в результате происходит изменение упругих модулей и, как следствие, скачек давления. Появляется аномалия, поскольку во втором материале такого перехода не произошло. Это модель может соответствовать аномалии между IV и V фазой фуллерита. Самомультипликация возникает при условии:

Е2(р) > Е1(р), (6)

dE2 dE2 dE-t (7)

dp 'dp dp'

где Ег, E2 - модули Юнга первого и второго вещества, а р - давление. На Рис. 4 представлена трансформация спектров КРС фуллерита до 21 ГПа. Переход в V фазу начинается при 20 ГПа без приложения сдвиговых деформаций и не заканчивается до 27-30 ГПа, так как если снять нагрузку при давлениях меньше 25 ГПа, то произойдет обратимый переход в другие фазы фуллерита [3,6972]. Сдвиг, организованный в камере с алмазными наковальнями, приводит к большим

пластическим деформациям. В результате возникают деформационные полосы на изображениях просвечивающей электронной микроскопии [73].

200

600 1000 1400

RAMAN SHIFT (cm"1)

1800

600

1200

1800

Raman shift (cm')

-1.

Рис. 4. Слева показаны спектры КРС света чистого фуллерена, IV и V фаз фуллерита [34], справа изображена трансформация спектров КРС фуллерита с ростом давления до 21 ГПа [7].

Наибольший интерес представляет 3D полимеризованный фуллерит. Аморфные 3D полимеризованные фазы фуллерита получаются не только в камерах с алмазными наковальнями, но и в условиях ударно-волнового сжатия или с использованием камеры типа «тороид» или в кубическом аппарате для создания высоких давлений [3,7,9,34,36,69,74,75]. При давлениях 9,513 ГПа и температурах от 500-800 K получаются структуры, по данным просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа, со слегка искаженными гцк (с параметрами от 12,1 до 13,6 А) и объемно-центрированной кубической (оцк) решетками [2,5,36,76-79]. Дальнейшее увеличение температуры приводит к аморфизации материала и появлению ультратвердых фаз фуллерита, спектры КРС которых близки к спектрам, показанным на Рис. 4 [2,5,80]. Так как из фуллерена нельзя построить 3D идеальной кристаллической структуры (наличие осей симметрии только 2-го, 3-го и 5-го порядка у молекулы С60), то в процессе синтеза происходит образование аморфной структуры. 3D полимер фуллерита синтезируется также из 2D С60, например при 13 ГПа и при температурах от 620 до 1620 К с получением при этом как кристаллических, так и аморфных фаз [81]. Из ромбоэдрической фазы фуллерита переход в ультратвердую фазу осуществляется при 12 ГПа и при 800 К, а из тетрагональной - при 23 ГПа и 800 К [82]. В [83] сообщается, что из 2D полимера при 15 ГПа и

600 °С получен 3Б Сбо с объемно центрированной орторомбической решеткой с параметрами а=7,86 А, Ь=8,59 А, с=12,73 А. Структура, близкая к аморфному 3Б полимеризованному фуллериту, была получена путем лазерной ударно-волновой нагрузке из графита при 14±2 ГПа и температуре 1000±200 К [84]. Помимо аморфной структуры и искаженных гцк решеток в структуре 3Б полимеризованного фуллерита при давлениях 8-15 ГПа и температурах 700-1800 , появляются искривленные плоскости, расположенные примерно под 70°, онионы и кристаллиты с различной ориентацией [85-87]. Синтез ультратвердого фуллерита проводился также и при более высоких давлениях при условии нагрева образца под давлением. Так, в [9] параметры синтеза ультратвердого фуллерита варьировались от 20 до 37 ГПа и от 450 до 1000 °С, причем чем выше давление, тем меньше температура синтеза. По структуре ультратвердый фуллерит, полученный при 27 ГПа и 1000 °С, представляет собой набор случайным образом разориентированных кластеров, в которых авторы постарались выделить межплоскостное расстояние 2,2 А, что больше, чем у алмаза (ё=2,06-2,19 А). По рентгеновскому дифракционному анализу с использованием синхротронного источника излучения такой ультратвердый образец представляет собой искаженные Бр3 связанные тетраэдры, которые образуют структуру с ближним порядком. Параметры синтеза очень сильно влияют на образование полимеризованных структур из Сб0, что видно на Рис. 5, где показано разнообразие структур, полученных из фуллерена.

р.сра Pressure (GPa)

Рис. 5. Диаграммы синтеза фуллерита, на которых показаны области образования 3D полимеризованных фаз [2,9].

Так как синтез 3Б полимеризованного фуллерита происходит в области стабильности алмаза согласно фазовой диаграмме углерода [11], то при определенных параметрах синтеза из фуллерена можно получить алмаз. Например, при температурах выше 2000 К и давлениях выше 10 ГПа фуллерит переходит в алмаз [2]. А при 20 ГПа и температуре 2000 °С из фуллерена образуется нанокристаллический кубический алмаз размером 5-12 нм [75]. Из данной работы

следует, что слишком высокие температуры активируют превращение в алмаз. При 25 ГПа и 1300 °С из фуллерена была получена смесь ультратвердого аморфного углерода и алмаза, а увеличение температуры до 1600 °С привело к полному переходу в алмаз [88]. «Паракристаллический алмаз» был получен при 30 ГПа и температурах 1200-1600 К из фуллерена [10]. Структура такого материала является аморфной. Авторы попытались выделить в такой структуре кластеры, которые напоминают структуру кубического и гексагонального алмазов. В данном случае авторы могли очень близко подойти к переходу ультратвердого фуллерита в алмаз. При 37 ГПа и 1000 °С также получаются наноалмазы с размерами от 10 до 30 нм [9]. При существенном сокращении времени нагрева фуллерена, даже при достаточно высоких температурах, можно получить не алмаз или графитоподобную структуру, а снизить давление перехода в ультратвердый фуллерит. В [89] сообщается о том, что при давлении 8-10 ГПа и при температуре 2700 К при импульсном нагреве лазером в случае, когда цикл нагрева и охлаждения занимает 0,1 мкс, формируется аморфная фаза 3D фуллерита. Поликристаллический алмаз, структура которого представляет случайно ориентированные вытянутые кристаллиты с размерами 10-20 нм на 100-200 нм, получают при давлениях 12-25 ГПа и температурах 1600-2200 °С в течение всего нескольких минут нагрева [90]. Переходы в алмаз могут протекать по следующей схеме. Сначала из чистого С60 получают 3D полимеризованные фазы фуллерена [88]. Дальше происходит разрушение молекул фуллерена, что приводит к формированию аморфной фазы углерода, содержащей Бр3 связи [72,88]. После синтеза аморфной фазы происходит образование алмаза [88].

Ультратвердый фуллерит характеризуется большим количеством Бр3 связанных атомов углерода. В образцах, полученных при давлениях более 20 ГПа и температурах от 450 до 1000 °С, относительное количество Бр3 гибридизованных атомов составляло более 80% [9,10,88]. Более 95% Бр3 гибридизованных атомов наблюдалось в образце, синтезированным при давлении 27 ГПа и температуре 1000 °С [9]. При незаконченной полимеризации в ультратвердую фазу, когда появляется IV фаза, количество Бр3 связей составляет 50-60% [88]. При синтезе аморфных ультратвердых образцов давление и температура способствуют образованию Бр3 связей между молекулами фуллерена за счет уменьшения числа двойных связей. Количество Бр3 гибридизованных атомов углерода в ультратвердых образцах фуллерита очень близко к 100%, как и в алмазе [9,10]. В любом случае из любого углеродного состояния даже с полностью Бр2 гибридизованными состояниями при высоких давлениях выше 40 ГПа можно получить 100% Бр3 гибридизованное состояние [91-93]. Но это справедливо только при высоких давлениях. Снятие нагрузки может приводить к перестройке связей при давлениях ниже 5 ГПа [91]. Поэтому количество Бр3 гибридизованных атомов углерода в ультратвердых образца не равно 100%. Переход в полностью Бр3 гибридизованное состояние при обеспечении гидростатических условий сжатия углеродных материалов с Бр2 связями происходит при более высоких давлениях

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хоробрых Фёдор Сергеевич, 2024 год

Список литературы

1. Sundqvist, B. Carbon under pressure // Physics Reports. - 2021. - Vol. 909. - P. 1-73.

2. Blank, V.D. et al. High-pressure polymerized phases of C60 // Carbon. - 1998. - Vol. 36. - P. 319-343.

3. Popov, M. et al. Synthesis of ultrahard fullerite with a catalytic 3D polymerization reaction of C60 // Carbon. - 2014. - Vol. 76. - P. 250-256.

4. Wang, L. et al. Long-Range Ordered Carbon Clusters: A Crystalline Material with Amorphous Building Blocks // Science. - 2012. - Vol. 337. - P. 825-828.

5. Blank, V.D. et al. Phase transformations in solid C60 at high-pressure-high-temperature treatment and the structure of 3D polymerized fullerites // Physics Letters A. - 1996. - Vol. 220. - P. 149157.

6. Popov, M. et al. Superhard Materials Based on Fullerenes and Nanotubes // Comprehensive Hard Materials. - Elsevier, 2014. - P. 515-538.

7. Popov, M. et al. Superhard phase of single wall carbon nanotube: comparison with fullerite C60 and diamond // Diamond and Related Materials. - 2003. - Vol. 12. - P. 833-839.

8. Blank, V. et al. Nano-sclerometry measurements of superhard materials and diamond hardness using scanning force microscope with the ultrahard fullerite C60 tip // J. Mater. Res. - 1997. -Vol. 12. - P. 3109-3114.

9. Shang, Y. et al. Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene // Nature. - 2021. -Vol. 599. - P. 599-604.

10. Tang, H. et al. Synthesis of paracrystalline diamond // Nature. - 2021. - Vol. 599. - P. 605-610. - DOI: 10.1038/s41586-021 -04122-w.

11. Blank, V.D. et al. Phase diagram of carbon and the factors limiting the quantity and size of natural diamonds // Nanotechnology. - 2018. - Vol. 29. - P. 115603.

12. Kroto, H.W. et al. C60: Buckminsterfullerene // Nature. - 1985. - Vol. 318. - P. 162-163.

13. Dresselhaus, M.S. et al. Science of fullerenes and carbon nanotubes. - San Diego: Academic Press, 1996.

14. Eletskii, A.V., Smirnov, B.M. Fullerenovyi zhurnal // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 1995. - Vol. 165. - P. 977.

15. Acquah, S.F.A. et al. The Beautiful Molecule: 30 Years of C60 and Its Derivatives // ECS J. Solid State Sci. Technol. - 2017. - Vol. 6. - P. 3155-3162.

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Georgakilas, V. et al. Broad Family of Carbon Nanoallotropes: Classification, Chemistry, and Applications of Fullerenes, Carbon Dots, Nanotubes, Graphene, Nanodiamonds, and Combined Superstructures // Chem. Rev. - 2015. - Vol. 115. - P. 4744-4822.

Popov, M. et al. Catalytic 3D polymerization of C60 // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2018. - Vol. 26. - P. 465-470.

Yannoni, C.S. et al. NMR determination of the bond lengths in C60 // J. Am. Chem. Soc. - 1991.

- Vol. 113. - P. 3190-3192.

Hedberg, K. et al. Bond Lengths in Free Molecules of Buckminsterfullerene, C60, from GasPhase Electron Diffraction // Science. - 1991. - Vol. 254. - P. 410-412. Heiney, P.A. Structure, dynamics and ordering transition of solid C60 // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1992. - Vol. 53. - P. 1333-1352.

Iwasa, Y. et al. New Phases of C60 Synthesized at High Pressure // Science. - 1994. - Vol. 264.

- P.1570-1572.

De Boer, J.L. et al. Hexagonal close-packed C60 // Chemical Physics Letters. - 1994. - Vol. 219.

- P.469-472.

Quo, Y. et al. Prediction of fullerene packing in C60 and C70 crystals // Nature. - 1991. - Vol. 351. - P. 464-467.

Johari, G.P. et al. Instability and thermal conductivity of pressure-densified and elastically altered orientational glass of Buckminsterfullerene // The Journal of Chemical Physics. - 2018. - Vol. 148. - P. 144502.

Sundqvist, B. Fullerenes under high pressures // Advances in Physics. - 1999. - Vol. 48. - P. 1134.

David, W.I.F. et al. Structural Phase Transitions in the Fullerene C60 // Europhys. Lett. - 1992. -Vol. 18. - P. 219-225.

Chen, G. et al. Estimation of the electron affinities of C60, corannulene, and coronene by using the kinetic method // J. Am. Soc. Mass Spectrom. - 1996. - Vol. 7. - P. 619-627. Illescas, B.M., Martín, N. [60]Fullerene-based electron acceptors // Comptes Rendus Chimie. -2006. - Vol. 9. - P. 1038-1050.

Diekers, M. et al. Synthesis and Electrochemical Properties of New C60-Acceptor and -Donor Dyads // Eur. J. Org. Chem. - 1998. - Vol. 1998. - P. 1111-1121.

Kristiansson, M.K. et al. High-precision electron affinity of oxygen // Nat Commun. - 2022. -Vol. 13. - P. 5906.

Blondel, C. et al. Electron spectrometry at the |ieV level and the electron affinities of Si and F // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. - 2001. - Vol. 34. - P. L281-L288.

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

Gold, V. The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book, 4th ed. // International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). - 2019.

Huisgen, R. Cycloadditions — Definition, Classification, and Characterization // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. - 1968. - Vol. 7. - P. 321-328.

Blank, V. et al. A. Is C60 fullerite harder than diamond? // Physics Letters A. - 1994. - Vol. 188.

- P.281-286.

Bogachev, A.G. et al. The phase diagram of fullerene C60 at high temperatures and pressures // Russ. J. Phys. Chem. - 2006. - Vol. 80. - P. 693-696.

Brazhkin, V.V. et al. Mechanical properties of the 3D polymerized, sp2-sp3 amorphous, and diamond-plus-graphite nanocomposite carbon phases prepared from C60 under high pressure // Journal of Applied Physics. - 1998. - Vol. 84. - P. 219-226.

Davydov, V.A. et al. Spectroscopic study of pressure-polymerized phases of C60 // Phys. Rev. B.

- 2000. - Vol. 61. - P. 11936-11945.

Davydov, V.A. et al. Pressure-induced dimerization of fullerene C60: a kinetic study // Chemical Physics Letters. - 2001. - Vol. 333. - P. 224-229.

Eklund, P.C. et al. Vibrational Modes in C60 and C60 Polymer // Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology. Section A. Molecular Crystals and Liquid Crystals. - 1994. -Vol. 256. - P. 199-208.

Giacalone, F., Martin, N. Fullerene Polymers: Synthesis and Properties // Chem. Rev. - 2006. -Vol. 106. - P. 5136-5190.

Lebedkin, S. et al. Raman scattering study of C120, a C60 dimer // Chemical Physics Letters. -1998. - Vol. 285. - P. 210-215.

Rao, A.M. et al. Infrared and Raman studies of pressure-polymerized C60s // Phys. Rev. B. -1997. - Vol. 55. - P. 4766-4773.

Alvarez-Murga, M., Hodeau, J.L. Structural phase transitions of C60 under high-pressure and high-temperature // Carbon. - 2015. - Vol. 82. - P. 381-407.

Zhao, Y.B. et al. Electron stimulated polymerization of solid C60 // Applied Physics Letters. -1994. - Vol. 64. - P. 577-579.

Nakaya, M. et al. Fabrication and electron-beam-induced polymerization of C60 nanoribbon // Thin Solid Films. - 2004. - Vol. 464-465. - P. 327-330.

Shvartsburg, A.A. et al. Ball-and-Chain Dimers from a Hot Fullerene Plasma // J. Phys. Chem. A. - 1999. - Vol. 103. - P. 5275-5284.

Komatsu, K. et al. The fullerene dimer C120 and related carbon allotropes // Carbon. - 2000. -Vol. 38. - P. 1529-1534.

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

Moret, R. et al. Single-crystal structural study of the pressure-temperature-induced dimerization of C60 // The European Physical Journal B - Condensed Matter. - 2003. - Vol. 37. - P. 25-37. Sundqvist, B. Mapping intermolecular bonding in C50 // Sci Rep. - 2014. - Vol. 4. - P. 6171. Laranjeira, J. et al. C60+C60 molecular bonding revisited and expanded // Carbon. - 2023. - Vol. 213. - P. 118209.

Liu, F.-L., Zhao, X.-X. Two intact C60 cages linked by six carbon-carbon single bonds // Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. - 2007. - Vol. 804. - P. 117-121. Matsuzawa, N. et al. Dimerization of C60: The Formation of Dumbbell-Shaped C120 // J. Phys. Chem. - 1994. - Vol. 98. - P. 2555-2563.

Wang, Y. et al. Thermal decomposition of polymeric C60 // Chemical Physics Letters. - 1994. -Vol. 217. - P. 413-417.

Meletov, K.P. et al. Raman study of the temperature-induced decomposition of the fullerene dimers C120 // Chemical Physics Letters. - 2016. - Vol. 654. - P. 81-85. Le Parc, R. et al. In situ X-ray powder diffraction study of one-dimensional polymeric C60 phase transformation under high-pressure // Chemical Physics Letters. - 2007. - Vol. 438. - P. 63-66. Makarova, T., Sundqvist, B. Electrical and Magnetic Properties of Undoped Fullerene Polymers // Frontiers of Multifunctional Nanosystems. - Springer Netherlands, Dordrecht, 2002. - P. 291312.

Meletov, K.P. et al. High pressure photoinduced polymerization of the orthorhombic polymeric phase of C60 // Chemical Physics Letters. - 2005. - Vol. 416. - P. 220-224. Sundar, C.S. et al. Pressure-induced polymerization of fullerenes: A comparative study of C60 and C70 // Phys. Rev. B. - 1996. - Vol. 53. - P. 8180-8183.

Wâgberg, T. et al. 2D polymerization and doping of fullerenes under pressure // High Pressure Research. - 2000. - Vol. 18. - P. 139-143.

Zou, Y. et al. Rotational dynamics of confined C60 from near-infrared Raman studies under high pressure // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. - 2009. - Vol. 106. - P. 22135-22138. Tat'yanin, E.V. et al. Mechanism of formation of the superhard disordered graphite-like phase from fullerite C60 under pressure // J. Phys.: Condens. Matter. - 2005. - Vol. 17. - P. 249-256. Bennington, S.M. et al. Funakoshi, K. In situ diffraction measurement of the polymerization of C60 at high temperatures and pressures // J. Phys.: Condens. Matter. - 2000. - Vol. 12. - P. 451456.

Dzwilewski, A. et al. Characterization of phases synthesized close to the boundary of C60 collapse at high temperature high pressure conditions // Diamond and Related Materials. - 2007. - Vol. 16. - P. 1550-1556.

64. Levitas, V.I. High-pressure mechanochemistry: Conceptual multiscale theory and interpretation of experiments // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 70. - P. 184118.

65. Blank, V.D., Estrin, E.I. Phase Transitions in Solids Under High Pressure. - 0 ed. - CRC Press, 2013.

66. Levitas, V.I. Thermomechanical theory of martensitic phase transformations in inelastic materials // International Journal of Solids and Structures. - 1998. - Vol. 35. - P. 889-940.

67. Popov, M. et al. A catalytic depolymerization of ultrahard fullerite // J. Mater. Res. - 2015. -Vol. 30. - P. 1772-1778.

68. Blank, V.D. et al. The Effect of Severe Plastic Deformations on Phase Transitions and Structure of Solids // Mater. Trans. - 2019. - Vol. 60. - P. 1500-1505.

69. Yoo, C.S. et al. C60 Transformations at High Pressures // MRS Proc. - 1992. - Vol. 270. - P. 155.

70. Talyzin, A.V. et al. Pressure-induced polymerization of C60 at high temperatures: An in situ Raman study // Phys. Rev. B. - 2002. - Vol. 65. - P. 245413.

71. Talyzin, A. New fullerene materials obtained in solution and by high pressure high temperature treatment. - University, Uppsala, 2001.

72. Cui, W. et al. Pressure induced metastable polymerization in doped C60 materials // Carbon. -2017. - Vol. 115. - P. 740-745.

73. Kulnitskiy, B.A. et al. Transformation-deformation bands in C60 after the treatment in a shear diamond anvil cell // Mater. Res. Express. - 2016. - Vol. 3. - P. 045601.

74. Snoke, D.W. et al. Vibrational modes, optical excitations, and phase transition of solid C60 at high pressures // Phys. Rev. B. - 1992. - Vol. 45. - P. 14419-14422.

75. Dubrovinskaia, N. et al. Nanocrystalline diamond synthesized from C60 // Diamond and Related Materials. - 2005. - Vol. 14. - P. 16-22.

76. Lyapin, A.G. et al. Non-Traditional Carbon Semiconductors Prepared from Fullerite C60 and Carbyne under High Pressure // Phys. Stat. Sol. (b). - 1999. - Vol. 211. - P. 401-412.

77. Marques, L. et al. "Debye-Scherrer Ellipses" from 3D Fullerene Polymers: An Anisotropic Pressure Memory Signature // Science. - 1999. - Vol. 283. - P. 1720-1723.

78. Talyzin, A.V. et al. Structural characterization of the hard fullerite phase obtained at 13 GPa and 830 K // Phys. Rev. B. - 2005. - Vol. 71. - P. 115424.

79. Wood, R.A. et al. In situ x-ray diffraction studies of three-dimensional C60 polymers // J. Phys.: Condens. Matter. - 2002. - Vol. 14. - P. 11615-11621.

80. Manghnani, M.H. et al. Elastic properties of superhard amorphous carbon pressure-synthesized from C60 by surface Brillouin scattering // Phys. Rev. B. - 2001. - Vol. 64. - P. 121403.

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

Buga, S.G. et al. Synthesis of superhard 3D-polymeric C60 fullerites from rhombohedral 2D-polymer by high-pressure-high-temperature treatment // High Pressure Res. - 2003. - Vol. 23. -P.259-264.

Talyzin, A.V., Dubrovinsky, L.S. In situ Raman study of path-dependent C60 polymerization: Isothermal compression up to 32 GPa at 800 K // Phys. Rev. B. - 2003. - Vol. 68. - P. 233207. Yamanaka, S. et al. Electron Conductive Three-Dimensional Polymer of Cuboidal C60 // Phys. Rev. Lett. - 2006. - Vol. 96. - P. 076602.

Luo, S.-N. et al. Novel crystalline carbon-cage structure synthesized from laser-driven shock wave loading of graphite // J. Chem. Phys. - 2005. - Vol. 123. - P. 024703. Blank, V.D. et al. The Structures of C60-Phases, Formed by Thermobaric Treatment: HREM-Studies // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2005. - Vol. 13. - P. 167-177. Blank, V.D. et al. Synthesis of Superhard and Ultrahard Materials by 3D-polymerization of C60, C70 Fullerenes Under High Pressure (15 GPa) and Temperatures up to 1820 K // Zeitschrift Für Naturforschung B. - 2006. - Vol. 61. - P. 1547-1554.

Zhang, S. et al. Narrow-gap, semiconducting, superhard amorphous carbon with high toughness, derived from C60 fullerene // Cell Reports Physical Science. - 2021. - Vol. 2. - P. 100575. Zhang, S. et al. Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material // National Science Review. - 2022. - Vol. 9. - P. nwab140.

Popov, M. et al. C60 three-dimensional polymerization by impulse heating effect // J. Appl. Phys.

- 2014. - Vol. 115. - P. 153506.

Irifune, T. et al. Ultrahard polycrystalline diamond from graphite // Nature. - 2003. - Vol. 421.

- P.599-600.

Lin, Y. et al. Amorphous Diamond: A High-Pressure Superhard Carbon Allotrope // Phys. Rev. Lett. - 2011. - Vol. 107. - P. 175504.

Zeng, Z. et al. Synthesis of quenchable amorphous diamond // Nat Commun. - 2017. - Vol. 8. -P. 322.

Zhao, Y. et al. Simulated Pressure-temperature Carbon Structure Map obtained through uniaxial compression of Bulk C60 // Carbon. - 2023. - Vol. 202. - P. 554-560.

Efthimiopoulos, I. et al. High-pressure phase of cold-compressed bulk graphite and graphene nanoplatelets // Phys. Rev. B. - 2023. - Vol. 107. - P. 184102.

Hou, Z. et al. Research progress of spectra and properties of ultrahard carbon materials at high pressure and high temperature // Functional Diamond. - 2022. - Vol. 2. - P. 245-257. O'Keeffe, M. C60 zeolites? // Nature. - 1991. - Vol. 352. - P. 674-674.

Laranjeira, J. et al. Clathrate structure of polymerized fullerite C60 // Carbon. - 2022. - Vol. 194.

- P.297-302.

98.

99.

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

Laranjeira, J. et al. Three-dimensional fcc C60 polymer // Materials Letters: X. - 2019. - Vol. 4. - P. 100026.

Laranjeira, J., Marques, L. C60 structures: Structural, electronic and elastic properties // Materials Today Communications. - 2020. - Vol. 23. - P. 100906.

Berber, S. et al. Rigid crystalline phases of polymerized fullerenes // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 70. - P. 085417.

Ivanovskaya, V.V., Ivanovskii, A.L. Simulation of novel superhard carbon materials based on

fullerenes and nanotubes // J. Superhard Mater. - 2010. - Vol. 32. - P. 67-87.

Yamanaka, S. et al. Topochemical 3D Polymerization of C60 under High Pressure at Elevated

Temperatures // J. Am. Chem. Soc. - 2008. - Vol. 130. - P. 4303-4309.

Lisenkov, S.V. et al. Ab initio study of novel crystals based on fullerene C60 and carbynes // Phys.

Solid State. - 2004. - Vol. 46. - P. 2317-2322.

Chernozatonskii, L.A. et al. The superhard crystalline three-dimensional polymerized C60 phase // Chem. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 316. - P. 199-204.

Serebryanaya, N.R., Chernozatonskii, L.A. Modelling and interpretation of the experimental data on the 3D polymerized C60 fullerites // Solid State Communications. - 2000. - Vol. 114. - P. 537-541.

Kvashnina, Y.A. et al. Fullerite-based nanocomposites with ultrahigh stiffness. Theoretical investigation // Carbon. - 2017. - Vol. 115. - P. 546-549.

Kvashnina, Y.A. et al. Toward the Ultra-incompressible Carbon Materials. Computational Simulation and Experimental Observation // J. Phys. Chem. Lett. - 2015. - Vol. 6. - P. 21472152.

Zhang, B.L. et al. Structure of Collapsed Solid C60 // Europhys. Lett. - 1994. - Vol. 28. - P. 219224.

Ferrari, A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects // Solid State Communications. - 2007. - Vol. 143. -P. 47-57.

Pocsik, I. et al. Origin of the D peak in the Raman spectrum of microcrystalline graphite // J. Non-Cryst. Solids. - 1998. - Vol. 227-230. - P. 1083-1086.

Ferrari, A.C., Robertson, J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 61. - P. 14095-14107.

Venezuela, P. et al. Theory of double-resonant Raman spectra in graphene: Intensity and line shape of defect-induced and two-phonon bands // Phys. Rev. B. - 2011. - Vol. 84. - P. 035433. Piscanec, S. et al. Kohn Anomalies and Electron-Phonon Interactions in Graphite // Phys. Rev. Lett. - 2004. - Vol. 93. - P. 185503.

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

Matthews, M.J. et al. Origin of dispersive effects of the Raman D band in carbon materials // Phys. Rev. B. - 1999. - Vol. 59. - P. 6585-6588.

Ferrari, A.C., Basko, D.M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene // Nature Nanotech. - 2013. - Vol. 8. - P. 235-246.

Gontijo, R.N. et al. Double resonance Raman scattering process in 2D materials // J. Mater. Res. - 2019. - Vol. 34. - P. 1976-1992.

Malard, L.M. et al. Raman spectroscopy in graphene // Physics Reports. - 2009. - Vol. 473. - P. 51-87.

Maultzsch, J. et al. Double-resonant Raman scattering in graphite: Interference effects, selection rules, and phonon dispersion // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 70. - P. 155403. Ramos, S.L.L.M. et al. Multiple-excitation study of the double-resonance Raman bands in rhombohedral graphite // Carbon. - 2021. - Vol. 179. - P. 683-691.

Pimenta, M.A. et al. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2007. - Vol. 9. - P. 1276-1290.

Thomsen, C., Reich, S. Double Resonant Raman Scattering in Graphite // Phys. Rev. Lett. -2000. - Vol. 85. - P. 5214-5217.

Ferrari, A.C., Robertson, J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon // Phys. Rev. B. - 2001. - Vol. 64. - P. 075414.

Merlen, A. et al. A Guide to and Review of the Use of Multiwavelength Raman Spectroscopy for Characterizing Defective Aromatic Carbon Solids: from Graphene to Amorphous Carbons // Coatings. - 2017. - Vol. 7. - P. 153.

Antunes, E.F. et al. Comparative study of first- and second-order Raman spectra of MWCNT at visible and infrared laser excitation // Carbon. - 2006. - Vol. 44. - P. 2202-2211. Bokobza, L., Zhang, J. Raman spectroscopic characterization of multiwall carbon nanotubes and of composites // Express Polym. Lett. - 2012. - Vol. 6. - P. 601-608.

Kastner, J. et al. Resonance Raman and infrared spectroscopy of carbon nanotubes // Chem. Phys. Lett. - 1994. - Vol. 221. - P. 53-58.

Matsunuma, S. Theoretical simulation of resonance Raman bands of amorphous carbon // Thin Solid Films. - 1997. - Vol. 306. - P. 17-22.

Maultzsch, J. et al. High-Energy Phonon Branches of an Individual Metallic Carbon Nanotube // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol. 91. - P. 087402.

Rao, A.M. et al. Diameter-Selective Raman Scattering from Vibrational Modes in Carbon Nanotubes // Science. - 1997. - Vol. 275. - P. 187-191.

Ferrari, A.C. Determination of bonding in diamond-like carbon by Raman spectroscopy // Diamond and Related Materials. - 2002. - Vol. 11. - P. 1053-1061.

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

Ferrari, A.C., Robertson, J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2004. - Vol. 362. - P. 2477-2512. Paillard, V. On the origin of the 1100 cm-1 Raman band in amorphous and nanocrystalline sp3 carbon // Europhys. Lett. - 2001. - Vol. 54. - P. 194-198.

Kirichenko, A.N. et al. Transformation of carbon onions under high pressure and shear

deformation in diamond anvil cell // MRS Proc. - 2012. - Vol. 1452. - P. 39-44.

Talyzin, A.V. et al. In situ Raman study of C60 polymerization at high pressure high temperature

conditions // The Journal of Chemical Physics. - 2002. - Vol. 116. - P. 2166-2174.

Yao, M. et al. Tailoring Building Blocks and Their Boundary Interaction for the Creation of New,

Potentially Superhard, Carbon Materials // Adv. Mater. - 2015. - Vol. 27. - P. 3962-3968.

Yao, M. et al. Pressure-induced transformation and superhard phase in fullerenes: The effect of

solvent intercalation // Applied Physics Letters. - 2013. - Vol. 103. - P. 071913.

Profeta, M., Mauri, F. Theory of resonant Raman scattering of tetrahedral amorphous carbon //

Phys. Rev. B. - 2001. - Vol. 63. - P. 245415.

Popov, M. et al. Raman Spectra and Bulk Modulus of Nanodiamond in a Size Interval of 2-5 nm // Nanoscale Res Lett. - 2017. - Vol. 12. - P. 561.

Korepanov, V.I. et al. Carbon structure in nanodiamonds elucidated from Raman spectroscopy // Carbon. - 2017. - Vol. 121. - P. 322-329.

Mochalin, V.N. et al. The properties and applications of nanodiamonds // Nature Nanotech. -2012. - Vol. 7. - P. 11-23.

Stehlik, S. et al. Size Effects on Surface Chemistry and Raman Spectra of Sub-5 nm Oxidized High-Pressure High-Temperature and Detonation Nanodiamonds // J. Phys. Chem. C. - 2021. -Vol. 125. - P. 5647-5669.

Mermoux, M. et al. Raman spectroscopy study of detonation nanodiamond // Diamond and Related Materials. - 2018. - Vol. 87. - P. 248-260.

Vlk, A. et al. Nanodiamond Size from Low-Frequency Acoustic Raman Modes // J. Phys. Chem. C. - 2022. - Vol. 126. - P. 6318-6324.

Osswald, S. et al. Phonon confinement effects in the Raman spectrum of nanodiamond // Phys. Rev. B. - 2009. - Vol. 80. - P. 075419.

Meirzadeh, E. et al. A few-layer covalent network of fullerenes // Nature. — 2023. — Vol. 613. — P. 71-76.

Pan, F. et al. Long-range ordered porous carbons produced from C60 // Nature. — 2023. — Vol. 614. — P. 95-101.

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

Cui, W. et al. High pressure and high temperature induced polymerization of doped C60 materials // Carbon. — 2016. — Vol. 109. — P. 269-275.

Pei, C. et al. Quasi 3D polymerization in C60 bilayers in a fullerene solvate // Carbon. — 2017.

— Vol. 124. — P. 499-505. — DOI: 10.1016/j.carbon.2017.09.010.

Sun, S. et al. Investigation of the polymerization mechanism of ferrocene doped C60 under high

pressure and high temperature // Sci Rep. — 2017. — Vol. 7. — P. 10809.

Touhara, H., Okino, F. Property control of carbon materials by fluorination // Carbon. — 2000.

— Vol. 38. — P. 241-267.

Liu, Y. et al. A brief review for fluorinated carbon: synthesis, properties and applications // Nanotechnology Reviews. — 2019. — Vol. 8. — P. 573-586.

Cavallari, C. et al. Tuning C-F Bonding of Graphite Fluoride by Applying High Pressure: Experimental and Theoretical Study // J. Phys. Chem. C. — 2020. — Vol. 124. — P. 2474724755.

Pischedda, V. et al. Experimental and DFT high pressure study of fluorinated graphite (C2F)n // Carbon. — 2017. — Vol. 114. — P. 690-699.

Pischedda, V. et al. Fluorine-graphite intercalation compound (C4F)n at high pressure: Experimental and theoretical study // Carbon. — 2018. — Vol. 127. — P. 384-391. Taylor, R. Why fluorinate fullerenes? // Journal of Fluorine Chemistry. — 2004. — Vol. 125. — P. 359-368.

Sheka, E.F. Stepwise computational synthesis of fullerene C60 derivatives. Fluorinated fullerenes C60F2k // J. Exp. Theor. Phys. - 2010. - Vol. 111. - P. 397-414. Boltalina, O.V., Galeva, N.A. Direct fluorination of fullerenes // Russ. Chem. Rev. - 2000. -Vol. 69. - P. 609-621.

Kniaz, K. et al. Fluorinated fullerenes: synthesis, structure, and properties // J. Am. Chem. Soc.

— 1993. - Vol. 115. - P. 6060-6064.

Zhang, W. et al. Effect of curvature on C-F bonding in fluorinated carbons: from fullerene and derivatives to graphite // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2010. - Vol. 12. - P. 1388-1398. Klier, K., Landskron, K. Thermodynamically Controlled High-Pressure High-Temperature Synthesis of Crystalline Fluorinated sp3 -Carbon Networks // J. Phys. Chem. C. - 2015. - Vol. 119. - P. 26086-26090.

Du, M. et al. New Ordered Structure of Amorphous Carbon Clusters Induced by Fullerene-Cubane Reactions // Advanced Materials. - 2018. - Vol. 30. - P. 1706916. Du, M. et al. High pressure infrared spectroscopy study on C60*CS2 solvates // Chemical Physics Letters. - 2017. - Vol. 669. - P. 49-53.

163. Sundqvist, B. Fullerites and Hard Carbons // Encyclopedia of Materials: Science and Technology. - Elsevier, 2001. - P. 3387-3395.

164. Poloni, R. et al. High-pressure stability of Cs6C60 // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 77. - P. 125413.

165. Poloni, R. et al. High-pressure phase transition in Rb6C60 // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 77. - P. 205433.

166. Yao, M. et al. Pressure-induced transformation in Na 4 C 60 polymer: X-ray diffraction and Raman scattering experiments // Phys. Rev. B. — 2011. — Vol. 84. — P. 144106.

167. Blank, V.D. et al. Elastic properties of ultrahard fullerites // J. Exp. Theor. Phys. — 1998. — Vol. 87. — P. 741-746.

168. Hofmeister, A.M., Mao, H. Redefinition of the mode Gruneisen parameter for polyatomic substances and thermodynamic implications // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. — 2002. — Vol. 99. — P. 559-564.

169. Tinder, R.F. Tensor Properties of Solids: Phenomenological Development of the Tensor Properties of Crystals. — Cham: Springer International Publishing, 2007.

170. Weinstein, B.A., Zallen, R. Pressure-Raman effects in covalent and molecular solids // In: Cardona, M., Guntherodt, G. (Eds.) Light Scattering in Solids IV. — Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1984. — P. 463-527.

171. Serebryanaya, N.R. et al. Pressure-induced superhard phase of C60 // Solid State Communications. — 2001. — Vol. 118. — P. 183-187.

172. Tang, H. et al. Revealing the formation mechanism of ultrahard nanotwinned diamond from onion carbon // Carbon. — 2018. — Vol. 129. — P. 159-167.

173. Podryabinkin, E.V. et al. Nanohardness from First Principles with Active Learning on Atomic Environments // J. Chem. Theory Comput. — 2022. — Vol. 18. — P. 1109-1121.

174. Burgos, E. et al. New Superhard Phases for Three-Dimensional C60-based Fullerites // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 85. — P. 2328-2331.

175. Perottoni, C.A., Da Jornada, J.A.H. First-principles calculation of the structure and elastic properties of a 3D-polymerized fullerite // Phys. Rev. B. — 2002. — Vol. 65. — P. 224208.

176. Yang, J. et al. First-principles investigation on the geometry and electronic structure of the three-dimensional cuboidal C60 polymer // The Journal of Chemical Physics. — 2007. — Vol. 127. — P. 134906.

177. Avery, P. et al. Predicting superhard materials via a machine learning informed evolutionary structure search // Npj Comput Mater. — 2019. — Vol. 5. — P. 89.

178. Kvashnin, A.G. et al. Computational discovery of hard and superhard materials // Journal of Applied Physics. — 2019. — Vol. 126. — P. 040901.

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

Hu, K. et al. Novel ultrahard carbon structures by cold-compressing tubes // CrystEngComm. — 2021. — Vol. 23. — P. 2091-2098.

Khabibrakhmanov, A., Sorokin, P. Carbon at the nanoscale: Ultrastiffness and unambiguous definition of incompressibility // Carbon. — 2020. — Vol. 160. — P. 228-235. Kovalev, O.O., Kuzkin, V.A. Analytical expressions for bulk moduli and frequencies of volumetrical vibrations of fullerenes C20 and C60 // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. — 2011. — Vol. 2. — P. 65-70.

Tapia, A. et al. The bond force constant and bulk modulus of small fullerenes using density functional theory and finite element analysis // J Mol Model. — 2015. — Vol. 21. — P. 139. Hirata, A. et al. Direct observation of local atomic order in a metallic glass // Nature Mater. — 2011. — Vol. 10. — P. 28-33.

Bakaj, A.S., Bakai, A.S. Poliklasternye amorfnye tela. — Moskva: Energoatomizdat, 1987. Suzuki, K. et al. Amorphous metals. — Moscow: Metallurgy, n.d.

Miracle, D.B. A structural model for metallic glasses // Nature Mater. — 2004. — Vol. 3. — P. 697-702.

Gaskell, P.H. A new structural model for transition metal-metalloid glasses // Nature. — 1978. — Vol. 276. — P. 484-485.

Skryshevsky, A.F. Structure analysis of liquids and amorphous bodies. — Moscow: High school, 1980.

Elliott, S.R. Amorphous Solids: An Introduction. In: Catlow, C.R.A. (Ed.) Defects and Disorder in Crystalline and Amorphous Solids. — Dordrecht: Springer Netherlands, 1994. — P. 73-86. Thorpe, M.F., Tichy, L. (Eds.) Properties and Applications of Amorphous Materials. — Dordrecht: Springer Netherlands, 2001.

Tedesco, C., Brunelli, M. X-ray Powder Diffraction. In: Comprehensive Supramolecular Chemistry II. — Elsevier, 2017. — P. 45-73.

Attard, P. Pair Functions. In: Thermodynamics and Statistical Mechanics. — Elsevier, 2002. — P. 207-242.

Fultz, B., Howe, J.M. Transmission electron microscopy and diffractometry of materials. — 3rd ed. — Springer, Berlin Heidelberg, 2008.

Lugvishchuk, D.S. et al. Irreversible high pressure phase transformation of onion-like carbon due to shell confinement // Diamond and Related Materials. — 2020. — Vol. 107. — P. 107908. Khorobrykh, F. et al. High pressure and high temperature phase transformations of covalent triazine-based frameworks // Materials Chemistry and Physics. — 2023. — Vol. 308. — P. 128312.

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

Brotsman, V.A. et al. Alkylated [6,6]-open difluoromethanofullerenes C60(CF2)R2: Facile synthesis, electrochemical behavior and photovoltaic applications // Electrochimica Acta. — 2016. — Vol. 219. — P. 130-142.

Tamm, N.B. et al. Intermediate Products of C60 High-Temperature Chlorination - C60CL (n = 8, 10, 14, 20, 24) // Eur J Org Chem. — 2020. — P. 6801-6804.

Zhou, X. et al. Solubility of Fullerene C60 and C70 in Toluene, o-Xylene and Carbon Disulfide at Various Temperatures // Fullerene Science and Technology. — 1997. — Vol. 5. — P. 285-290. Ruoff, R.S. et al. Anomalous solubility behaviour of C60 // Nature. — 1993. — Vol. 362. — P. 140-141.

Hohenberg, P., Kohn, W. Inhomogeneous Electron Gas // Phys. Rev. — 1964. — Vol. 136. — P. B864-B871.

Kresse, G., Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. — 1996. — Vol. 54. — P. 11169-11186. Perdew, J.P. et al. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. — 1996. — Vol. 77. — P. 3865-3868.

Blochl, P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. — 1994. — Vol. 50. — P. 17953 -17979.

Shapeev, A.V. Moment Tensor Potentials: A Class of Systematically Improvable Interatomic Potentials // Multiscale Model. Simul. — 2016. — Vol. 14. — P. 1153-1173. Novikov, I.S. et al. The MLIP package: moment tensor potentials with MPI and active learning // Mach. Learn.: Sci. Technol. — 2021. — Vol. 2. — P. 025002.

Togo, A., Tanaka, I. First principles phonon calculations in materials science // Scripta Materialia. — 2015. — Vol. 108. — P. 1-5.

Monkhorst, H.J., Pack, J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. — 1976. — Vol. 13. — P. 5188-5192.

Stuart, S.J. et al. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // The Journal of Chemical Physics. — 2000. — Vol. 112. — P. 6472-6486.

Plimpton, S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // Journal of Computational Physics. — 1995. — Vol. 117. — P. 1-19.

Popov, M. Pressure measurements from Raman spectra of stressed diamond anvils // Journal of Applied Physics. — 2004. — Vol. 95. — P. 5509-5514.

Mase, G.E. Schaum's Outline of Theory and Problems of Continuum Mechanics. — McGraw-Hill, New York, 1970.

Duffy, T.S. et al. Equation of State and Shear Strength at Multimegabar Pressures: Magnesium Oxide to 227 GPa // Phys. Rev. Lett. — 1995. — Vol. 74. — P. 1371-1374.

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

Karki, B.B. et al. Structure and elasticity of MgO at high pressure // American Mineralogist. — 1997. — Vol. 82. — P. 51-60.

Giberteau, F. et al. Deformation of MgO by Vickers microindentation tests // Rev. Phys. Appl. (Paris). — 1982. — Vol. 17. — P. 777-782.

Dorfman, S.M. et al. Intercomparison of pressure standards (Au, Pt, Mo, MgO, NaCl and Ne) to 2.5 Mbar // J. Geophys. Res. — 2012. — Vol. 117.

Loubet, J.L. et al.Vickers Indentation Curves of Magnesium Oxide (MgO) // Journal of Tribology. — 1984. — Vol. 106. — P. 43-48.

Meade, C., Jeanloz, R. Yield strength of MgO to 40 GPa // J. Geophys. Res. — 1988. — Vol. 93. — P. 3261-3269.

Lin, K.-P. et al. Strength and Mechanical Response of NaCl Using In-Situ Transmission Electron Microscopy Compression and Nanoindentation // J Nanosci Nanotechnol. — 2016. — Vol. 16.

— P.2603-2607.

Sayan, P., Ulrich, J. Effect of Various Impurities on the Hardness of NaCl Crystals // Zeitschrift Für Experimentelle Und Technische Kristallographie. — 2001. — Vol. 36. — P. 1253. Khorobrykh, F. et al. The effect of C60 fullerene polymerization processes on the mechanical properties of clusters forming ultrahard structures of 3D C60 polymers // Diamond and Related Materials. — 2022. — Vol. 124. — P. 108911.

Khorobrykh, F. et al. Cluster structure of ultrahard fullerite revealed by Raman spectroscopy // Carbon. — 2023. — Vol. 214. — P. 118314.

Popov, M. et al. Ultrasmall diamond nanoparticles with unusual incompressibility. // Diamond and Related Materials. - 2019. - Vol. 96. - P. 52-57.

Goncharov, A.F. Graphite at high pressures: Pseudomelting at 44 GPa. // High Pressure Research. - 1992. - Vol. 8. - P. 430-432.

Popov, M. et al. Surface Tamm States of 2-5 nm Nanodiamond via Raman Spectroscopy. // Nanomaterials. - 2023. - Vol. 13. - P. 696.

Born, M., Huang, K. Dynamical theory of crystal lattices. - Clarendon Press ; Oxford University Press, 1988.

Maradudin, A.A. (Ed.). Theory of lattice dynamics in the harmonic approximation. 2nd ed. -Acad. Press, 1971. - New York, NY.

Scuseria, G.E. What is the lowest-energy isomer of the C60 dimer? // Chemical Physics Letters.

- 1996. - Vol. 257. - P. 583-586.

Heimann, R.B., Evsyukov, S.E., Kavan, L. (Eds.). Carbyne and Carbynoid Structures. - Springer Netherlands, 1999. - Dordrecht.

229