低維納米器件設計及相關(guān)物理問題研究.pdf

1、眾所周知，許多物理、化學、生物演化過程都是由原子與分子的熱運動所支配的。在這種意義上可以說原子的熱運動是最值得關(guān)注的自然過程。在歷史上，人類較早地認識到化學反應的熱運動本質(zhì)，而隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，原子的熱運動規(guī)律引起了科學家更多地關(guān)注。這不僅因為在目前的各種納米器件(量子點、納米線等)的制備中存在熱穩(wěn)定性問題，更因為人們需要設計具有奇特物理化學特性的新分子和新材料。關(guān)鍵的問題是如何從理論上預測上述熱驅(qū)動演化過程進行的速率。雖然現(xiàn)代物

2、理學理論(如量子場論)已有了長足發(fā)展，但是預測熱反應速率是一個長期存在的挑戰(zhàn)性問題。繼1889年Arrhenius提出化學反應速率隨溫度變化的經(jīng)驗規(guī)律之后，到目前為止已經(jīng)發(fā)展出許多熱反應速率理論，其中最著名的應是1935年提出的過渡態(tài)理論。然而數(shù)十年來的研究表明，傳統(tǒng)過渡態(tài)理論與實驗觀測的速率往往有較大偏差，有時甚至產(chǎn)生數(shù)量級的差別。雖然現(xiàn)代過渡態(tài)理論已發(fā)展成為一系列復雜的模型，但仍然不能有效地改變與實驗結(jié)果的偏差。上個世紀五十年代建立

3、的分子反應動力學，繼承了過去的碰撞理論，目前已深入到態(tài)態(tài)反應的細節(jié)。但由于其關(guān)注的細節(jié)過于復雜，而無法建立起模型化的速率理論。除此之外，人們還發(fā)展了如RRKM理論等其他的熱反應速率理論，但其結(jié)果都與實驗數(shù)據(jù)有著或多或少的偏差。在這種情況下，雖然面對給定的實驗結(jié)果我們可以從眾多的理論模型中選出一種與之吻合，但很難找到一個普適的物理模型。這使得現(xiàn)代的納米材料、納米器件設計缺乏基本的理論預測手段，例如我們無法預知所設計的納米體系的壽命隨溫度如

4、何變化，等等。
　　 近幾年來，二維單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了研究者的廣泛關(guān)注。作為歷史上首次發(fā)現(xiàn)的二維材料，由于它具有一般體材料所不具備的一些特殊物理性質(zhì)，被認為是能夠替代目前的硅基集成電路的新一代材料。我們在理論上提出了從石墨烯中制備一維單原子碳鏈的方案，與此同時碳鏈在實驗上被發(fā)現(xiàn)。在此基礎上，我們希望設計出基于一維和二維晶體的更小尺度的納米器件，例如基于碳鏈的的整流器件，以突破目前集成電路小型化受到的量子效應瓶頸。然而，尚沒有

5、精確的理論模型能夠預測基于碳鏈和石墨烯器件的穩(wěn)定性(壽命)，這容易導致相關(guān)實驗設計制備的盲目性。
　　 本文的工作試圖解決上述問題，提出了一個能夠預測各種熱驅(qū)動的基元過程速率的統(tǒng)計力學模型。首先，我們論證了凝聚態(tài)物質(zhì)中的原子熱運動速率分布也是麥克斯韋分布，并在此基礎上建立了一個基于單原子而不是整個體系的熱力學統(tǒng)計模型以克服過渡態(tài)理論的不足。事實證明，該模型的操作簡便易行，可方便地在第一性原理計算中實現(xiàn)。通過與分子動力學模擬和一系

6、列實驗數(shù)據(jù)比較，我們驗證了該模型的可靠性。在此基礎上，我們提出了基于單原子碳鏈的一系列器件的制備方法，分析了其壽命及相關(guān)基本物理問題，具體內(nèi)容有：
　　 1、理論上提出了一種從單層石墨烯中通過機械拉伸制備出單原子碳鏈的方案，并預測了單原子鏈與石墨烯相關(guān)結(jié)構(gòu)的壽命，結(jié)果表明1cm長的碳鏈在室溫下的壽命長達6×1043年，而金屬原子鏈卻不具備這樣的穩(wěn)定性。以上結(jié)果均得到了分子動力學模擬和已知實驗結(jié)果的檢驗。
　　 2、理論上

7、模擬了在單原子碳鏈中摻雜一兩種原子的方法，預測了摻雜后的碳鏈在室溫下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明摻雜鏈與純碳鏈同樣是非常穩(wěn)定的。在此基礎上提出了由BN分子摻雜的碳鏈構(gòu)成的整流器件。
　　 3、關(guān)于一維晶體中存在的大尺度的離域量子態(tài)，可在體系的一端施加局域作用以實現(xiàn)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷。按照量子理論的基本詮釋，如果該量子躍遷發(fā)生，則體系各處的量子狀態(tài)將瞬間改變，但這違反了相對論因果律。也就是說這種離域量子態(tài)躍遷的局域激發(fā)似乎是不可能的。本工

8、作從光與碳鏈的相互作用的角度探討了這個基本物理問題，表明局域激發(fā)離域量子態(tài)躍遷是可行的，并解釋了與相對論因果律之間的“矛盾”。在此基礎上，設計了一種基于單原子碳鏈的可連續(xù)調(diào)諧的紅外激光器，其調(diào)諧范圍覆蓋了當今激光器調(diào)諧范圍的盲區(qū)，并且這種可調(diào)諧激光器的泵浦方法十分簡單，只需通電即可具有高的電光轉(zhuǎn)換效率。
　　 4、納米團簇的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。納米團簇結(jié)構(gòu)的微小的變化將大大改變其性質(zhì)，而目前實驗技術(shù)尚無法精確地測量納米團簇

9、的結(jié)構(gòu)，因而理論預測是十分重要的。目前自由能(或勢能)判據(jù)被普遍應用于團簇生長過程異構(gòu)體形成預測。然而我們的研究表明自由能判據(jù)是不可靠的。本工作中將單原子模型用于團簇的異構(gòu)化過程，提出了判斷團簇異構(gòu)體形成幾率的理論模型。結(jié)果表明，單原子模型能夠很好地預測團簇異構(gòu)化速率及異構(gòu)體壽命。
　　 5、將單原子模型應用于單分子化學反應速率的預測，并將其擴展到了雙分子反應。為了能夠?qū)卧幽Ｐ团c過渡態(tài)理論進行嚴格比較，我們選擇了若干已有大量

10、實驗觀測數(shù)據(jù)的反應，特別是其靜態(tài)反應勢壘已用嚴格的實驗方法(如光解離)所確定。結(jié)果表明單原子模型與實驗數(shù)據(jù)符合較好，而過渡態(tài)理論則存在較大偏差。除此之外，我們還采用了分子動力學模擬更嚴格地檢驗了單原子模型。在分子動力學模擬中，通過其相互作用勢可獲得準確的反應勢壘，更重要的是，分子動力學模擬不包含任何原子運動的量子效應，為嚴格地檢驗單原子模型提供了更可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，單原子模型確實比過渡態(tài)理論更準確、更實用。
　　 此外，在此