一些納米材料的第一性原理研究.pdf

1、近年來相關(guān)理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，使得基于密度泛函理論的第一性原理方法在凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)中得到非常廣泛的應(yīng)用。由于納米材料會表現(xiàn)出特異的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能，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。盡管目前納米技術(shù)基本上還處于實驗室的初級研究階段，但毫無疑問，以納米材料為代表的納米科技必將對二十一世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。對納米材料的理論研究就顯得非常重要。本論文對一些不同維度

2、的新型納米材料(團(tuán)簇，納米管，納米帶等)進(jìn)行第一性原理的研究。 第一章簡要介紹了密度泛函理論的基本框架和近年來的理論發(fā)展。密度泛函理論是以基態(tài)電子密度為基礎(chǔ)，認(rèn)為一個多粒子體系的任何基態(tài)性質(zhì)都是基態(tài)電子密度的函數(shù)。密度泛函理論發(fā)展的一個主要方向就是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)到非局域泛函、自相互作用修正等等多種泛函形式的相繼出現(xiàn)使得密度泛函理論越來越能精確的進(jìn)行計算。我們還介

3、紹了一些密度泛函理論的應(yīng)用實例以展示其廣泛的用途。本章最后，我們簡要介紹了本文所采用的一些常用的密度泛函計算軟件包。 在第二章，我們把目光轉(zhuǎn)向引發(fā)當(dāng)前研究熱潮的納米材料石墨烯。首先簡單的介紹了石墨烯的研究進(jìn)展。包括實驗制備，電子結(jié)構(gòu)，輸運性質(zhì)和磁性質(zhì)等等。石墨烯材料因為其獨特的性質(zhì)，例如反常量子霍耳效應(yīng)，無質(zhì)量的狄拉克粒子，吸引了眾多理論和實驗研究。而后，我們用第一性原理研究了石墨條帶在應(yīng)力作用下的電子性質(zhì)。這部分我們用αbin

4、itio方法對石墨烯納米帶在應(yīng)力作用下的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算。armchair型石墨烯納米帶能隙與所受到的應(yīng)力的關(guān)系呈鋸齒形。當(dāng)帶寬增加時，能隙變化的范圍變窄。通過STMdI/dV圖像模擬還可以表征armchair石墨烯納米帶所受到的是壓力或是拉力。用緊束縛進(jìn)行模擬驗證了第一性原理的計算結(jié)果。并且發(fā)現(xiàn)C原子π軌道間的跳躍參數(shù)的改變是造成受力的armchair型石墨烯納米帶的能隙變化的原因。zigzag型石墨烯納米帶能隙與所受到的應(yīng)力的關(guān)系

5、并不明顯。自旋也未被分裂。這些發(fā)現(xiàn)將有利于將來制備石墨烯納米電子器件。 第三章我們用自旋極化密度泛函理論分別研究了armchair型和zigzag型SiC納米帶電子和磁性質(zhì)。armchair型SiC納米帶是一種自旋簡并的寬能隙的半導(dǎo)體。與armchair型石墨烯納米帶相似，能隙根據(jù)帶寬可以分成三簇。但三簇帶寬的能隙相差很小，不到0.1eV的差量，應(yīng)該很容易應(yīng)用到納米級電子裝置中。zigzg型SiC納米帶的磁矩隨著帶寬的增加而增大

6、。當(dāng)帶寬W≤15時，表現(xiàn)出半金屬性和亞鐵磁性。通過分析電荷密度圖，我們發(fā)現(xiàn)費米面附近主要由邊界處原子貢獻(xiàn)。且邊界原子具有取向相反的局域磁矩，總磁矩隨著zigzag型SiC納米帶的帶寬增長繼續(xù)變大。當(dāng)帶寬W＞15時，zigzg型SiC納米帶的雙自旋通道都是金屬性的。我們還討論了二維類石墨烯SiC平面和SiC納米帶(單H飽和和雙H飽和邊界Si原子兩種情況)的穩(wěn)定性，在自由狀態(tài)下，當(dāng)SiC納米帶寬度小于一定寬度時，SiC納米帶比較穩(wěn)定；當(dāng)Si

7、C納米帶寬度大于該寬度時，SiC納米管比較穩(wěn)定。單H飽和要比雙H飽和邊界Si原子的情況要穩(wěn)定。由于zigag型SiC納米帶在不需要加電場或化學(xué)修飾的狀況下就具備了半金屬性，且SiC材料本身的優(yōu)良特性，將來應(yīng)該具有比石墨烯納米帶更廣闊的應(yīng)用。 第四章研究了一種新穎的一維納米材料Te納米管。俞書宏教授課題組在實驗中用表面活性劑輔助的溶劑熱合成的方法制備了超長的、均勻的碲納米管，結(jié)果表明單根碲納米管在5-300K溫度范圍表現(xiàn)為金屬特性

8、，R與T是二次性關(guān)系，單根碲納米管光導(dǎo)性質(zhì)測試也證明其p型金屬特性，這是由于在制備過程中無意的痕量摻雜導(dǎo)致碲管電子結(jié)構(gòu)的改變。我們的理論計算直接證明了其p型金屬性行為是由于摻雜了微量的雜質(zhì)Na，N造成的，且HOMO軌道電荷廣闊的分布于雜質(zhì)和周圍的Te原子上，即HOMO帶并不是一個局域態(tài)。 第五章我們用DFT方法研究了氫飽和碳團(tuán)簇的光學(xué)能隙。LUMO-HOMO能隙小于體相能隙出現(xiàn)在大于約1.5nm的氫飽和碳團(tuán)簇，這足由于氫飽和碳團(tuán)