低維納米材料結構演化及電子輸運性質的理論研究.pdf

1、碳納米管和納米線因為在低維物理的基礎研究方面的重要性和在納米電子器件中的應用前景而受到人們的廣泛重視。最近一些實驗表明，人們已經用單根碳納米管或者納米線成功制得了納米尺度的場效應管、傳感器等納米器件。碳納米管和納米線作為納米器件的互連線以及功能組元在納米電子、光電器件中發(fā)揮不可替代的作用。因此，深入地研究碳納米管和納米線的結構及電子輸運性質對納米電子器件的開發(fā)具有重要的意義。 雖然近幾年納米科學與技術有了突飛猛進的發(fā)展，但是有很

2、多領域的研究還不夠完善，需要我們去深入地探究。當物質被束縛在碳納米管中時，形成超細、組織有序的納米線，原有凝聚態(tài)物質的結構和物理性質將不再保持，而呈現(xiàn)出許多令人驚奇的奇異特性。本文重點討論金屬單質、合金、半導體材料以及水分子被束縛在碳納米管中時所表現(xiàn)出的奇異的結構性質和電子輸運性質。 我們分別采用密度泛函、基于分子動力學的模擬退火、幾何優(yōu)化的方法研究碳納米管中的Ni、Ni-Al合金、半導體(Si、Ge、Sn)納米線的結構演化。研

3、究發(fā)現(xiàn)，束縛在碳納米管中的納米線的穩(wěn)定幾何構型為螺旋、多壁、圓柱形的結構。我們還研究了這些納米線的電學性質，例如：能態(tài)密度(DOS)、電流-電壓(I-V)特性、電導-電壓(G-V)特性。由于量子尺寸效應，納米線的電流-電壓(I-V)曲線是非線性的，這與傳統(tǒng)的歐姆定律完全背離。計算結果表明Ni納米線的電子輸運性質依賴于納米線的幾何結構和尺寸。Ni-Al合金納米線中Ni原子的摻雜對合金納米線的整體生長模式沒有太大的影響，而合金納米線的電導隨

4、著摻雜原子(Ni)數(shù)目的增多而減小。通過比較Si、Ge、Sn三種半導體納米線的一些非平衡輸量子輸運性質，我們發(fā)現(xiàn)Ge納米線的電導-電壓(G-V)曲線的波動與其它兩者相比更有規(guī)律，因此Ge納米線中的電流更容易被控制，這些研究結果對更好的理解量子輸運和設計納米電子器件有著重要的指導意義。 通過采用分子動力學模擬，我們得到了低溫下水分子在碳納米管中形成的三邊形、四邊形、五邊形和六邊形的納米管結構。同時還得到了螺旋、殼層結構的冰納米線，

5、其中央是一根單分子鏈，這根單分子鏈被一個由六股螺旋分子鏈構成的螺旋分子殼層所包圍。我們還研究了低溫條件下，碳納米管及其內部的冰納米管同時受到軸向應力作用時，整個體系的結構演化過程。研究發(fā)現(xiàn)冰納米管具有極強的脆性。在整個體系的拉伸過程中，碳納米管中的冰納米管變成了很多個冰納米環(huán)，更有趣的是由六股螺旋單分子鏈構成的螺旋分子殼層變成了形似彈簧的一股單分子鏈。 人們已經用C60成功制備出單分子晶體管，并開展了許多相關的研究。但是C60幾