一維二氧化硅納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì).pdf_第1頁(yè)
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1、作為一門新興交叉學(xué)科,納米科技對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)和電子學(xué)等領(lǐng)域正在產(chǎn)生具有深遠(yuǎn)意義的影響。納米材料的重要性取決于一個(gè)基本事實(shí),即在納米尺度范圍內(nèi),許多材料的物理和化學(xué)性質(zhì),隨材料尺寸減小而發(fā)生顯著變化。SiO2是玻璃、催化劑以及以硅為主的微電子器件和光纖的重要組成部分,在電子和光學(xué)器件上有著基本和潛在的應(yīng)用,已逐漸成為一維納米材料重要的候選者。由于SiO2納米管和納米線在電子、光學(xué)方面的重要性,近年來(lái)在科學(xué)界引起廣泛的關(guān)注。

2、SiO2納米管或納米線可通過(guò)多種方法合成,如激光燒蝕、溶膠凝膠、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、氣-液-固法(VLS)等。本文運(yùn)用密度泛函理論中的B3LYP方法在6-31G(d)基組水平上對(duì)不同截面、不同長(zhǎng)度的SiO2納米管和納米線進(jìn)行計(jì)算,研究工作主要包括以下幾個(gè)方面: (一)SiO2納米管的穩(wěn)定性及尺寸效應(yīng)對(duì)無(wú)水(SiO2-NTs)和水合(SiO2-WNTs)的SiO2納米管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算,研究了與尺寸有關(guān)的平均結(jié)合能、電

3、子結(jié)構(gòu)和紅外光譜。SiO2-WNTs中發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米管的層數(shù)或長(zhǎng)度相同時(shí)平均結(jié)合能相等。SiO2-WNTs比SiO2-NTs和二元環(huán)直鏈結(jié)構(gòu)都要穩(wěn)定。兩種管狀結(jié)構(gòu)最高占據(jù)軌道HOMO處主要為結(jié)構(gòu)中氧原子的貢獻(xiàn),最低未占據(jù)軌道LUMO處主要是硅原子的貢獻(xiàn)。對(duì)截面為三元環(huán)和四元環(huán)的納米管紅外光譜的分析,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)峰值與實(shí)驗(yàn)值相吻合且切向和徑向振動(dòng)顯示較強(qiáng)的尺寸效應(yīng)。徑向的振動(dòng)頻率向高頻移動(dòng),而切向的振動(dòng)頻率則向低頻移動(dòng),也就是納米體系中的尺寸效應(yīng)

4、和各向異性。 (二)有限長(zhǎng)SiO2納米線的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究運(yùn)用密度泛函理論,在6-31G(d)基組水平上,對(duì)二元環(huán)組成的SiO2單鏈和雙鏈納米線進(jìn)行幾何優(yōu)化和頻率計(jì)算,分析了它們的平均結(jié)合能、電子結(jié)構(gòu)、紅外和拉曼光譜。平均結(jié)合能隨著n的增加單調(diào)變化,并趨于收斂。各種結(jié)構(gòu)的能隙中存在明顯的尺寸效應(yīng)。徑向和切向的紅外振動(dòng)頻率和強(qiáng)度均隨著n的增加單調(diào)變化,且徑向的振動(dòng)頻率出現(xiàn)紅移,而切向的振動(dòng)頻率則發(fā)生藍(lán)移。Raman光譜中同樣存在尺寸

5、效應(yīng)和各向異性現(xiàn)象。無(wú)論是它們的結(jié)合能、電子結(jié)構(gòu)還是振動(dòng)頻率,隨著n的增大,都趨于收斂。這表明當(dāng)n較大時(shí),SiO2納米線性質(zhì)的穩(wěn)定性。 (三)(SiO2)nO2H4的紅外振動(dòng)光譜的理論研究運(yùn)用密度泛函理論,在6-31G(d)基組水平上,計(jì)算了納米尺度的(SiO2)nO2H4鏈狀、環(huán)狀、籠狀三種不同構(gòu)型的紅外振動(dòng)光譜。對(duì)準(zhǔn)一維的鏈狀和環(huán)狀結(jié)構(gòu),紅外振動(dòng)較強(qiáng)峰的頻率隨著長(zhǎng)度的增加單調(diào)變化,顯示了較強(qiáng)的尺寸依賴性;沿納米線(環(huán))軸向和

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