薄膜量子尺寸效應及納米儲氫材料的理論研究.pdf

1、AthesisdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorTheQuantumSizeEffectsofFilmsandNano—MaterialsforHydrogenStorage：FirstprinciplesCalculationsBvMengLi■一Supervisor：ProfYuJiaOpticsSchoolofPhysicsandEngine

2、ering一一一May2012中文摘要中文摘要新型納米材料的研究與開發(fā)是當今材料研究領域的熱點，一方面人們不斷的發(fā)現(xiàn)新型納米材料，觀察其表現(xiàn)出的奇異性質(zhì)，試圖揭示其背后的物理規(guī)律并探索未來的潛在應用；另一方面又根據(jù)現(xiàn)有的理論和技術條件，以需求為導向，有目的的設計開發(fā)具有特殊性質(zhì)的新型納米材料。在材料的特性研究方面，對于納米材料，尺寸對其穩(wěn)定性以及性質(zhì)有著至關重要的影響，由于其特殊的尺寸和結(jié)構(gòu)使其性質(zhì)明顯區(qū)別于塊體。其中量子尺寸效應對金屬

3、納米結(jié)構(gòu)尤其是金屬薄膜的形成和特性的影響又顯得尤為突出，受到理論和實驗的廣泛深入關注。對于只有幾個或幾十個原子層厚的金屬薄膜，由于界面的電子禁閉作用，電子的運動在薄膜的生長方向上受到限制，系統(tǒng)的能量不再隨薄膜的厚度連續(xù)變化，而是表現(xiàn)出量子化的離散特性。這樣一來，在薄膜的生長過程中，在一定的條件下量子化的薄膜能量和穩(wěn)定性又能在原子層次調(diào)制薄膜的幾何結(jié)構(gòu)。同時，量子尺寸效應也能調(diào)制薄膜的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)制其相關的物理和化學特性，使得人們有可

4、能在原子層次精確的控制薄膜的生長與特性。在眾多金屬納米材料中，Pb(1l1)超薄膜備受關注，一方面鉛是軟金屬，另一方面，對于Pb(111)超薄膜，其層間距和生長方向上的費米波長匹配的很好，量子尺寸效應對其生長和特性的調(diào)制都較為明顯?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多理論和實驗工作在其生長、穩(wěn)定性、晶格弛豫、超導、熱膨脹以及化學反應等方面取得了很多成果。我們關注的是與化學反應緊密相關的電子密度衰減長度的量子尺寸效應。另外，除了傳統(tǒng)的金屬或合金薄膜外，最近的實

5、驗研究在化合物的量子尺寸效應方面也取得了一定的進展，發(fā)現(xiàn)在Si(111)襯底上CoSi2(111)薄膜的生長不是連續(xù)的，只有特定厚度的薄膜才能在退火后保持穩(wěn)定，這需要相關的理論工作來驗證并從理論上解釋其背后的物理機制。在新型納米材料的設計和開發(fā)方面，新型儲氫材料的開發(fā)也是一個受到廣泛關注的問題。為應對日益嚴重的能源危機和環(huán)境污染問題，新能源的開發(fā)和利用日益緊迫，氫能作為一種可循環(huán)、無污染、效率高的能源備受關注。在氫能的實際應用中，一個重