“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(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用在化工、能源、機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩個方面。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)理情況，還需要進(jìn)行理論計(jì)算研究。目前理論計(jì)算主要包括三個方面：量子計(jì)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(zhǔn)確度，但

3、是其最大的缺點(diǎn)就是計(jì)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(yàn)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(diǎn)的位置，最后為頂點(diǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。此外模擬獲得的原子間距離也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　　 3．前人主要研究單一金屬納米線的拉伸機(jī)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(jìn)一步的研究了其拉伸斷裂機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)一步論證了表面效應(yīng)是納米材料的一