原子尺度納米線結構和性質的理論研究.pdf

1、隨著電子元件與機械設備的日益小型化,納米線作為理想的一維體系引起了廣泛關注。由于量子限制效應與表面效應,納米線呈現(xiàn)出許多不同于宏觀固體的新奇物理、化學特性,這些新奇特性在直徑約3nm以下的原子尺度的納米線中表現(xiàn)得尤為明顯。
　　 實驗上高分辨率的透射電子顯微鏡已經(jīng)觀察到一些奇特的納米線結構,而采用機械控制斷裂結方法測量納米線電導時,人們提出了殼層效應來解釋堿金屬和貴金屬納米線的穩(wěn)定結構。已有的實驗與理論結果都表明納米線的結構對于

2、理解它們的物理行為至關重要。但是目前的實驗精度,還不可能精確給出納米線結構的原子圖像,而理解納米線穩(wěn)定結構的形成機制與其物理性質、殼層效應之間的關聯(lián)也有待進一步探討。
　　 本論文將經(jīng)驗方法與密度泛函理論計算相結合,對具有代表性的堿金屬Na、貴金屬Ag和半導體化合物ZnO納米線的結構、穩(wěn)定性、電子性質進行了較為系統(tǒng)的研究,取得了如下理論研究成果:
　　 將基于經(jīng)驗勢的遺傳算法全局搜索和密度泛函理論局域優(yōu)化相結合,考察了N

3、a納米線的殼層結構和電子性質。我們獲得了晶狀和螺旋兩組相互競爭的納米線結構序列,觀察到“基于殼層”和“基于晶面”兩種納米線生長機制。前者對所有納米線都適用,而后者只出現(xiàn)在晶狀線中。.對于較細的納米線,螺旋結構較晶狀結構在能量上更有優(yōu)勢,而當直徑增大時,所有納米線都向體結構轉變。量子電導的計算分析表明,納米線形成過程中存在著從電子殼層向原子殼層的轉變,與實驗觀測相一致。理論結果全面、系統(tǒng)地給出了原子尺度Na納米線殼層結構生成的物理機制和對

4、應的電子性質。
　　 用遺傳算法結合密度泛函理論計算,研究了Ag納米線的結構演化和物理性質。由于銀材料本身的特點,在Ag納米線中出現(xiàn)了一些奇特的結構行為,從中可以看出Ag納米線遵循基于(111)晶面的生長機制。特別是在理論上率先指出了Ag納米線生成過程中的晶狀新奇結構。對Ag納米線楊氏模量的計算表明,表面重構對于納米線的力學性質有著重要影響。電導分析給出的納米線中電子殼層向原子殼層的轉變特征同實驗符合得很好。說明了納米線的結構特

5、征對于理解其物理、力學性質十分重要。
　　 通過密度泛函理論計算,系統(tǒng)研究了不同尺寸[0001]ZnO納米線的{01(1)0)側面進行化學修飾(存在懸掛鍵、完全氫鈍化、部分氫鈍化、完全氟化)時所引起的納米線電子性質的變化情況,在理論上系統(tǒng)分析了表面氫鈍化導致的ZnO納米線中金屬一半導體轉變機制。具體結果表明,在部分氫鈍化條件下,即納米線的側表面只有氧原子被氫飽和時,納米線表現(xiàn)為金屬性；而在其余三種情形下,納米線均為半導體。盡管量