納米及表面體系分子吸附的理論研究.pdf

1、近年來，隨著理論計算方法的發(fā)展和計算機(jī)水平的提高，基于密度泛函理論的第一性原理計算方法在凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)以及材料科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。由于納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，納米技術(shù)迅速滲透到材料的各個領(lǐng)域，成為當(dāng)前世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)。其中，納米管吸附分子對其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的調(diào)節(jié)效應(yīng)對于納米電子器件的研究具有重要意義。同時，表面體系在吸附分子時也會得到各種奇特的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這方面的研究對新型低維材料的研制和表面催化反應(yīng)的理解及應(yīng)用也非常

2、重要。本論文的方向是通過密度泛函理論研究吸附分子的納米體系以及表面體系的物理化學(xué)性質(zhì)。 第一章簡要介紹了密度泛函理論的基本框架及其近年來的發(fā)展和應(yīng)用。人們在密度泛函理論的發(fā)展過程中一直致力于尋找合適的交換相關(guān)能量泛函。從最初的局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)到現(xiàn)在的非局域泛函、自相互作用修正，多種泛函形式的出現(xiàn)使得密度泛函理論可以提供越來越精確的計算結(jié)果。近年來，密度泛函理論向動力學(xué)平均場和含時理論等方面的擴(kuò)展也很

3、活躍。這些發(fā)展使得密度泛函理論的應(yīng)用范圍不斷拓寬。在本章最后介紹了一些密度泛函理論的應(yīng)用實例。 第二章研究了硼氮納米管封裝有機(jī)分子對其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的調(diào)節(jié)。硼氮納米管具有較為均一的幾何和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，同時有很好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性，人們期待它在納米電子器件等方面能發(fā)揮重要的作用。然而硼氮納米管帶隙寬度很大，約為5.5 eV，在實際應(yīng)用中人們希望能對其能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，得到窄帶隙的n型或p型半導(dǎo)體。最近的實驗表明，在碳納米管中封裝有

4、機(jī)分子，可以調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)。因此我們用密度泛函理論研究了硼氮納米管內(nèi)封裝有機(jī)分子后，其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)封裝具有親電子性質(zhì)的有機(jī)分子時，硼氮納米管轉(zhuǎn)變?yōu)閜型半導(dǎo)體，而當(dāng)封裝具有親核性質(zhì)的有機(jī)分子時，卻較難形成n型半導(dǎo)體。由于施加橫向電場引起的巨Stark效應(yīng)會改變納米管的帶隙寬度，還研究了對封裝了有機(jī)分子的硼氮納米管施加橫向電場的影響。發(fā)現(xiàn)外加電場對體系的帶隙寬度、電荷轉(zhuǎn)移以及光學(xué)性質(zhì)具有較大影響，同時硼氮納米管顯示出了對內(nèi)部有

5、機(jī)分子較好的靜電屏蔽保護(hù)能力。 第三章研究了吸附在Ag(100)表面的C<,60>分子單層。由于堿金屬摻雜的C<,60>分子晶體A<,3>C<,60>具有超導(dǎo)性質(zhì)和很高的轉(zhuǎn)變溫度，人們對吸附在Ag(100)表面的C<,60>分子單層是否可能成為二維的超導(dǎo)很感興趣。通過和香港中文大學(xué)肖旭東教授領(lǐng)導(dǎo)的實驗組合作，結(jié)合STM實驗以及第一性原理計算，對該體系的幾何及電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)等問題做了詳細(xì)探討。發(fā)現(xiàn)C<,60>/Ag(100)STM圖

6、像中的C<,60>分子“亮暗”對比主要源自Ag(100)襯底的幾何效應(yīng)。進(jìn)一步地，發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的“暗”(D)C<,60>分子：一種以單體形式存在，另一種則和相鄰的另一個“暗”C<,60>分子形成二聚體(dimer)。此外還研究了C<,60>分子在Ag(100)表面的多種吸附形式的電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移等性質(zhì)，并對該體系是否可能存在超導(dǎo)態(tài)作了討論。 第四章研究了金紅石型TiO<,2>(110)表面羥基化后的表面缺陷態(tài)。TiO<,2

7、>由于其在光催化、CO氧化以及太陽能電池等多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。近年來，人們發(fā)現(xiàn)通過和吸附水分子的作用，TiO<,2>表面在實際情況下很容易被羥基化，然而羥基化后OH基團(tuán)引入的缺陷態(tài)性質(zhì)卻至今未被清楚地了解。和侯建國院士及王兵教授領(lǐng)導(dǎo)的實驗組合作，通過STM實驗和密度泛函理論計算，研究了金紅石型TiO<,2>(110)表面吸附單個OH基團(tuán)以及一對相鄰OH基團(tuán)(OH pair)時引入的缺陷態(tài)性質(zhì)。實驗STM圖像給出了孤立的單個OH基