“核殼”式雙金屬納米簇和納米線結(jié)構(gòu)的性能研究.pdf

1、近些年來，金屬納米簇和納米線已經(jīng)引起了人們廣泛的關(guān)注。而由兩種不同的金屬組成的雙金屬納米簇和納米線，與單一金屬納米簇和納米線相比，則具有更加優(yōu)良的性能。由于其具有獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用在化工、能源、機械、電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等多個領(lǐng)域。與單一金屬不同，雙金屬納米簇和納米線受組成和原子排列的影響，會出現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)，比如“核殼”式結(jié)構(gòu)。這種特定的結(jié)構(gòu)引起了人們的廣泛關(guān)注。因此對金屬納米簇和納米線的研究具有非常重要的理論和實際意義。<

2、br>　　 對雙金屬納米簇和納米線的研究主要集中在實驗和理論計算兩個方面。實驗主要是對雙金屬納米簇和納米線新的合成方法與工藝的研究，還有如何對合成后的納米簇和納米線進行表征，確定其結(jié)構(gòu)性質(zhì)等方面。但是要獲得其內(nèi)部的機理情況，還需要進行理論計算研究。目前理論計算主要包括三個方面：量子計算(DFT)、分子動力學(xué)模擬(Molecular Dynamics，MD)和蒙特卡羅模擬(Monte Carlo，MC)。DFT方法具有非常高的準確度，但

3、是其最大的缺點就是計算量巨大，消耗時間也非常多，只能用于小的體系。而基于經(jīng)驗勢能的MC和MD分子模擬方法可以用于稍大的雙金屬納米簇和納米線體系。
　　 本論文便是采用MC和MD方法分別用于產(chǎn)生雙金屬納米簇和納米線的幾何結(jié)構(gòu)以及模擬納米線的拉伸過程。在選定了納米簇和納米線的初始構(gòu)型以后，通過設(shè)定MC模擬方法的多個參數(shù)，可以獲得不同溫度、不同組成和不同結(jié)構(gòu)下的雙金屬納米簇和納米線。在獲得了不同化學(xué)組成的雙金屬納米線以后，本文使用了M

4、D方法模擬納米線的拉伸過程。此外，本文通過自主研發(fā)的原子對分布函數(shù)，深入地研究了雙金屬納米簇原子尺度的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。本文獲得的主要結(jié)論如下：
　　 1．系統(tǒng)研究了Co—Pt雙金屬納米簇的結(jié)構(gòu)。MC模擬分別獲得了561、561和711個原子的Macky二十面體(Ico—type)、十面體(Dec—type)和八面體(TOh—type)的Co—Pt雙金屬納米簇，發(fā)現(xiàn)這些納米簇均呈現(xiàn)出“核殼”式的結(jié)構(gòu)。并且隨著Co原子含量的增加，Co原子

5、優(yōu)先占據(jù)中心的位置，其次為對角線或鄰近頂點的位置，最后為頂點和棱的位置。
　　 2．基于德拜方程等基本公式，本文自主研發(fā)了的原子對分布函數(shù)“APDFBC”程序包(Atomic Pair Distribution Function for BimetallicClusters，APDFBC)。該程序包沒有受到周期性邊界條件的約束，可以得到單一金屬和雙金屬納米簇的結(jié)構(gòu)因子和原子對分布函數(shù)，并且可以進一步獲得原子間距離等結(jié)構(gòu)性質(zhì)。本文

6、采用該程序包獲得的Co—Pt雙金屬納米簇的結(jié)構(gòu)因子，與實驗獲得的數(shù)據(jù)相當吻合。此外模擬獲得的原子間距離也與實驗結(jié)果一致。
　　 3．前人主要研究單一金屬納米線的拉伸機理，本文在獲得了不同組成的Cu—Ni雙金屬納米線的前提下，使用MD方法進一步的研究了其拉伸斷裂機理。在300K溫度和1．0％ps—1的拉伸速率下，CU2002Ni1598納米線出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)相變的現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)相變是從標準的FCC晶體變化為中間含有一個原子的六圓環(huán)結(jié)構(gòu)。并

7、且發(fā)現(xiàn)納米線的組成和不同的拉伸速率都對Cu—Ni雙金屬納米線的機械性能產(chǎn)生重要的影響。
　　 4．在Cu—Ni雙金屬納米線的兩組分彈性模量圖(Two—componentElastic Modulus Diagram，TEMD)中，發(fā)現(xiàn)Cu—Ni雙金屬納米線的彈性模量受Cu含量的影響顯著。最后研究發(fā)現(xiàn)納米線的表面能可以非常好的解釋這一現(xiàn)象，比如表面能的迅速減小會導(dǎo)致彈性模量的迅速增加。本文的研究也進一步論證了表面效應(yīng)是納米材料的一