原子尺度納米線結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論研究.pdf

1、隨著電子元件與機(jī)械設(shè)備的日益小型化,納米線作為理想的一維體系引起了廣泛關(guān)注。由于量子限制效應(yīng)與表面效應(yīng),納米線呈現(xiàn)出許多不同于宏觀固體的新奇物理、化學(xué)特性,這些新奇特性在直徑約3nm以下的原子尺度的納米線中表現(xiàn)得尤為明顯。
　　 實(shí)驗(yàn)上高分辨率的透射電子顯微鏡已經(jīng)觀察到一些奇特的納米線結(jié)構(gòu),而采用機(jī)械控制斷裂結(jié)方法測量納米線電導(dǎo)時(shí),人們提出了殼層效應(yīng)來解釋堿金屬和貴金屬納米線的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。已有的實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果都表明納米線的結(jié)構(gòu)對于

2、理解它們的物理行為至關(guān)重要。但是目前的實(shí)驗(yàn)精度,還不可能精確給出納米線結(jié)構(gòu)的原子圖像,而理解納米線穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制與其物理性質(zhì)、殼層效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)也有待進(jìn)一步探討。
　　 本論文將經(jīng)驗(yàn)方法與密度泛函理論計(jì)算相結(jié)合,對具有代表性的堿金屬Na、貴金屬Ag和半導(dǎo)體化合物ZnO納米線的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電子性質(zhì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,取得了如下理論研究成果:
　　 將基于經(jīng)驗(yàn)勢的遺傳算法全局搜索和密度泛函理論局域優(yōu)化相結(jié)合,考察了N

3、a納米線的殼層結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。我們獲得了晶狀和螺旋兩組相互競爭的納米線結(jié)構(gòu)序列,觀察到“基于殼層”和“基于晶面”兩種納米線生長機(jī)制。前者對所有納米線都適用,而后者只出現(xiàn)在晶狀線中。.對于較細(xì)的納米線,螺旋結(jié)構(gòu)較晶狀結(jié)構(gòu)在能量上更有優(yōu)勢,而當(dāng)直徑增大時(shí),所有納米線都向體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。量子電導(dǎo)的計(jì)算分析表明,納米線形成過程中存在著從電子殼層向原子殼層的轉(zhuǎn)變,與實(shí)驗(yàn)觀測相一致。理論結(jié)果全面、系統(tǒng)地給出了原子尺度Na納米線殼層結(jié)構(gòu)生成的物理機(jī)制和對

4、應(yīng)的電子性質(zhì)。
　　 用遺傳算法結(jié)合密度泛函理論計(jì)算,研究了Ag納米線的結(jié)構(gòu)演化和物理性質(zhì)。由于銀材料本身的特點(diǎn),在Ag納米線中出現(xiàn)了一些奇特的結(jié)構(gòu)行為,從中可以看出Ag納米線遵循基于(111)晶面的生長機(jī)制。特別是在理論上率先指出了Ag納米線生成過程中的晶狀新奇結(jié)構(gòu)。對Ag納米線楊氏模量的計(jì)算表明,表面重構(gòu)對于納米線的力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。電導(dǎo)分析給出的納米線中電子殼層向原子殼層的轉(zhuǎn)變特征同實(shí)驗(yàn)符合得很好。說明了納米線的結(jié)構(gòu)特

5、征對于理解其物理、力學(xué)性質(zhì)十分重要。
　　 通過密度泛函理論計(jì)算,系統(tǒng)研究了不同尺寸[0001]ZnO納米線的{01(1)0)側(cè)面進(jìn)行化學(xué)修飾(存在懸掛鍵、完全氫鈍化、部分氫鈍化、完全氟化)時(shí)所引起的納米線電子性質(zhì)的變化情況,在理論上系統(tǒng)分析了表面氫鈍化導(dǎo)致的ZnO納米線中金屬一半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變機(jī)制。具體結(jié)果表明,在部分氫鈍化條件下,即納米線的側(cè)表面只有氧原子被氫飽和時(shí),納米線表現(xiàn)為金屬性；而在其余三種情形下,納米線均為半導(dǎo)體。盡管量