Search for possible crystal structures of the 9.5GPa C60 polymer via DFT methods

Abstract

A Teoria do Funcional da Densidade é usada para investigar possíveis estruturas de uma fase polimérica cúbica de faces centradas de C60 obtida a 9.5GPa e 823K. Verificámos que quando duas orientações moleculares padrão, compatíveis com uma estrutura cúbica, são consideradas, ligações poliméricas do tipo (2+2) cicloadição 5:6(PP) são formadas entre moléculas vizinhas com orientação diferente mas não entre moléculas vizinhas com a mesma orientação. Temos, assim, uma interação análoga à interação antiferromagnética. Foram estudadas estruturas ordenadas, construídas com as moléculas nestas orientações padrão, no entanto as estruturas obtidas não são compatíveis com o padrão de difração experimental, ou porque as estruturas não apresentam métrica cúbica ou porque a estrutura cúbica obtida dá origem a super-reflexões não observadas experimentalmente. Estes resultados permitiram-nos concluir, por analogia ao modelo de Ising antiferromagnético com interações entre vizinhos próximos numa rede cúbica de faces centradas, que a estrutura desta fase polimérica de C60 deverá ser frustrada em que uma dada molécula está ligada a oito das doze moléculas vizinhas mais próximas.

Density Functional Theory methods are used to investigate the possible structure of the face-centered cubic polymeric C60 phase obtained at 9.5GPa and 823K. We have found that when only the standard molecular orientation that are compatible with the cubic structure are considered, polymeric bonds of the (2+2) cycloaddition 5:6(PP) type are formed between nearest neighbor molecules differently oriented but not between nearest neighbor molecules with the same orientation. This is analogous to the antiferromagnetic interaction. We have studied ordered structures built with molecules in standard orientations, but the obtained structures cannot explain the experimental diffraction pattern, because these structures have not a cubic metric or because they display reflections not observed experimentally. These results allowed us to conclude, considering that our system can be mapped to the antiferromagnetic Ising model with nearest neighbor interactions in a face centered cubic lattice, that the polymer should have a frustrated structure in which each molecule is bonded to eight out of twelve nearest neighbors.