硫化鋅納米結(jié)構(gòu)的物性研究.pdf

1、由于量子限制效應(yīng)與表面效應(yīng)，低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出許多新奇的物理和化學(xué)特性。本文以重要的半導(dǎo)體ZnS納米結(jié)構(gòu)為研究對象，采用密度泛函理論，系統(tǒng)地研究了ZnS納米線和納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、電子性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和摻雜磁性，取得了下列研究成果：
　　 在理論上比較性研究了閃鋅礦和纖鋅礦ZnS納米線的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和電子性質(zhì)，重點揭示了纖鋅礦納米線的力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果首先表明，與體材料不同，在小尺寸下纖鋅礦ZnS納米線比閃鋅礦結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，兩種

2、納米線還呈現(xiàn)出不同的電子性質(zhì)，我們在理論上分析了內(nèi)在的物理原因。其次，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上，我們指出對不同的表面吸附原子，納米線的楊氏模量隨尺寸的變化關(guān)系不同。純納米線和表面水分子吸附情形下，納米線的楊氏模量較體材料大，并且隨尺寸的增加而逐漸減小。而氫鈍化納米線的楊氏模量較體材料要小，且隨尺寸的增加而逐漸增加。以上結(jié)果，成功說明了國際上不同實驗小組對ZnS納米線楊氏模量測量的矛盾實驗結(jié)果；進(jìn)一步在理論上分析表明，表面弛豫和系統(tǒng)內(nèi)部原子

3、的非線性效應(yīng)共同決定了納米線的力學(xué)性質(zhì)。
　　 利用密度泛函理論，全面地研究了過渡金屬(Cr、Mn、Fe、Co和Ni)原子摻雜ZnS納米線的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，所有的過渡金屬原子趨向于納米線的內(nèi)部替位而不是表面替代。在雙磁性原子摻雜情形下，沒有形成團(tuán)簇的趨勢。所有摻雜納米線的形成能都小于純納米線的形成能，表明磁性原子摻雜是放熱過程。從分態(tài)態(tài)密度圖上，可以很明顯看到磁性原子的d態(tài)和硫原子的p態(tài)的雜化，是摻雜納米線磁

4、性的根源。特別重要的是，對Cr內(nèi)雙摻雜ZnS納米線，計算結(jié)果顯示在室溫下應(yīng)具有鐵磁性，表明這類ZnS納米線有可能應(yīng)用于未來自旋電子學(xué)器件。
　　 采用密度泛函理論與遺傳算法相結(jié)合的全局結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，系統(tǒng)地研究了ZnS團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示ZnS小團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化趨勢和幻數(shù)規(guī)律，并解釋了實驗結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，以高對稱性構(gòu)型(ZnS)12團(tuán)簇作為基元，研究了過渡金屬原子Mn和Cr摻雜(ZnS)12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和