[论文解读] Topological characteristics of local atomic arrangements at crystalline-amorphous structural transition in graphite

A. D. Rud, I. M. Kirian+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2014

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 56被引用 4

一句话总结

本研究利用XRD、反向蒙特卡罗（RMC）模拟和Voronoi多面体（VP）分析，研究了球磨石墨在晶体到非晶转变过程中局部原子排列的拓扑演化。研究发现，局部有序性从石墨型向金刚石型转变，表现为五重面对数显著增加及球形度系数（Ksph）上升，提出Ksph作为非晶碳结构中无序性的定量度量指标。

ABSTRACT

Quasi-continuous structural transformation from the crystalline to amorphous state takes place in graphite during ball-milling. The quantitative characteristics of a short- and a medium-range orders in carbon nanomaterials structure are determined by a combined application of X-ray diffraction analysis, reverse Monte Carlo modeling and Voronoi diagram method. High resolution TEM images revealed formation of globular carbon materials having onion-like structure. The Voronoi polyhedra (VP) constructed for simulated atomic configurations of the ball-milled graphite have an extraordinary variety in their topological and metric characteristics and contain a lot of 5-fold faces. The analysis of VP sphericity coefficient Ksph enables a conclusion about the change of the local atomic arrangement in a structure of ball-milled carbon from graphite- to diamond-like. The sphericity coefficient is proposed to be as a parameter of the topological order to quantitative estimation of disordering degree in amorphous structures.

研究动机与目标

• 理解石墨在晶体到非晶转变过程中局部原子排列的拓扑变化。
• 结合实验与模拟技术，量化球磨碳纳米材料中的短程和中程有序性。
• 评估机械研磨过程中从石墨型向金刚石型结构的演化。
• 提出Voronoi多面体球形度系数（Ksph）作为评估非晶碳中拓扑无序性的新度量指标。

提出的方法

• 利用X射线衍射（XRD）分析表征石墨球磨过程中的结构变化。
• 采用反向蒙特卡罗（RMC）模拟生成与实验XRD数据一致的原子构型。
• 从模拟的原子构型构建Voronoi多面体（VP），以分析局部拓扑结构。
• 计算Voronoi多面体的球形度系数（Ksph），以量化其偏离球对称性的几何偏差。
• 分析VP中面的分布，特别是五重面对的丰度，以评估结构无序性。
• 将Ksph值与从晶体到非晶状态的结构演化相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨的球磨诱导晶体到非晶转变过程中，局部原子拓扑结构如何演化？
• RQ2 Voronoi多面体中的五重面对在表征非晶碳结构无序性方面起什么作用？
• RQ3 球形度系数（Ksph）在多大程度上反映非晶碳结构中拓扑无序的程度？
• RQ4 Ksph度量能否可靠地区分石墨型与金刚石型局部原子排列？

主要发现

• 球磨石墨中Voronoi多面体表现出显著多样的拓扑与度量特性，表明其具有复杂的局部无序性。
• 观察到Voronoi多面体中五重面对数量显著增加，表明向金刚石型配位结构转变。
• Ksph值在研磨过程中显著上升，表明从各向异性的石墨型结构向更各向同性、类球形的局部排列转变。
• Ksph值与结构无序程度具有强相关性，支持其作为非晶碳中拓扑有序性定量度量的有效性。
• 高分辨透射电镜图像证实了洋葱状碳结构的形成，与模拟的非晶构型一致。
• 结合XRD、RMC与VP分析，可实现对球磨碳材料中局部有序性的详细、多尺度表征。