Infrared and Raman spectroscopic features of the self-interstitial defect in diamond from exact-exchange hybrid DFT calculations

文献情報

出版日 2016-06-03
DOI 10.1039/C6CP02403C
インパクトファクター 3.676
著者

Simone Salustro, Alessandro Erba, Claudio M. Zicovich-Wilson, Yves Nöel, Lorenzo Maschio, Roberto Dovesi


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要旨

Quantum-mechanical calculations are performed to investigate the structural, electronic, and infrared (IR) and Raman spectroscopic features of one of the most common radiation-induced defects in diamond: the “dumb-bell” 〈100〉 split self-interstitial. A periodic super-cell approach is used in combination with all-electron basis sets and hybrid functionals of density-functional-theory (DFT), which include a fraction of exact non-local exchange and are known to provide a correct description of the electronic spin localization at the defect, at variance with simpler formulations of the DFT. The effects of both defect concentration and spin state are explicitly addressed. Geometrical constraints are found to prevent the formation of a double bond between the two three-fold coordinated carbon atoms. In contrast, two unpaired electrons are fully localized on each of the carbon atoms involved in the defect. The open-shell singlet state is slightly more stable than the triplet (the energy difference being just 30 meV, as the unpaired electrons occupy orthogonal orbitals) while the closed-shell solution is less stable by about 1.55 eV. The formation energy of the defect from pristine diamond is about 12 eV. The Raman spectrum presents only two peaks of low intensity at wave-numbers higher than the pristine diamond peak (characterized by normal modes extremely localized on the defect), whose positions strongly depend on defect concentration as they blue shift up to 1550 and 1927 cm−1 at infinite defect dilution. The first of these peaks, also IR active, is characterized by a very high IR intensity, and might then be related to the strong experimental feature of the IR spectrum occurring at 1570 cm−1. A second very intense IR peak appears at about 500 cm−1, which, despite being originated from a “wagging” motion of the self-interstitial defect, exhibits a more collective, less localized character.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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