低維納米材料性能調(diào)控的理論研究.pdf

1、納米材料就是材料在三維空間的幾何尺寸至少有一維介于0.1 nm-100nm之間。由于尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，納米材料常常表現(xiàn)出一些獨(dú)特、優(yōu)異的性能，因此在諸多領(lǐng)域都獲得了蓬勃的發(fā)展?？v觀人類(lèi)的生活和生產(chǎn)，納米材料的應(yīng)用遍及物理、化學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域，典型的有納米半導(dǎo)體材料、納米磁性材料、納米傳感器、納米催化、醫(yī)療、環(huán)境、能源以及機(jī)械工業(yè)等。納米科技成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要推動(dòng)力之一。
　　低維納米材料是納米材料中維數(shù)小于三

2、的一類(lèi)材料，其中包括二維、一維、以及零維材料。由于尺寸在某一或某幾個(gè)維度的受限，體系的量子效應(yīng)更加明顯，所以低維納米材料經(jīng)常存在一些奇特的物理現(xiàn)象，例如二維自由電子氣。此外，低維納米材料通常結(jié)構(gòu)明確、性能可調(diào)，所以它們有望成為未來(lái)能源與信息技術(shù)的重要載體，尤其是在能量轉(zhuǎn)換、自旋電子器件方面。對(duì)低維納米材料的性能調(diào)控也成為目前納米科技領(lǐng)域的重要方向之一。
　　近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)上對(duì)低維納米材料的研究取得

3、了許多突破性的進(jìn)展。但是，由于低維納米材料的結(jié)構(gòu)和性能極大的依賴(lài)于體系中量子態(tài)的耦合以及體系對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)，所以，精確地制備、表征低維納米材料依然是實(shí)驗(yàn)上需要面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)，而且需投入的成本也非常高。計(jì)算機(jī)的發(fā)展讓計(jì)算模擬成為材料科學(xué)領(lǐng)域新型的研究手段之一。它的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和性能，為實(shí)驗(yàn)提供重要的參考信息，從而大大提高研究效率、降低研究成本。我們的工作就是基于第一性原理計(jì)算研究低維納米材料的性能調(diào)控。論文共有四個(gè)章

4、節(jié)，主要分為兩個(gè)部分。第一部分是關(guān)于理論方法的介紹;第二部分是關(guān)于低維納米材料的性能調(diào)控，包括缺陷、應(yīng)力和化學(xué)修飾對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。
　　第一章主要介紹了計(jì)算模擬的理論背景。首先，我們介紹了量子化學(xué)的理論基礎(chǔ)，即量子化學(xué)中的基本近似（Bom-Oppenheimer近似、單電子近似）和Hatree-Fock方程。然后，我們介紹了密度泛函理論的理論框架和發(fā)展應(yīng)用。其中包括Thomas-Fermi-Dirac模型、Hohenber

5、g-Kohn定理、Kohn-Sham方程、交換關(guān)聯(lián)能量泛函、以及第一性原理計(jì)算中常用的計(jì)算軟件。最后，我們介紹了NEB(NudgedElastic Band Method)方法，用于搜索化學(xué)反應(yīng)或者相變過(guò)程中的最小能量路徑以及過(guò)渡態(tài)。
　　第二章主要介紹缺陷對(duì)低維納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。缺陷在材料的形成和制備過(guò)程中是不可避免的，它們的存在常常對(duì)材料的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生重要的影響，包括機(jī)械性能，熱學(xué)性能，電學(xué)性能，光學(xué)性能和磁學(xué)性能等。從

6、原子層次認(rèn)識(shí)、研究、以及控制缺陷的形成和發(fā)展已經(jīng)成為材料科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。本章基于第一性原理計(jì)算研究了低維納米材料中的缺陷及其影響。首先，以石墨烯中的缺陷為例，我們介紹了二維納米材料中的缺陷類(lèi)型，包括點(diǎn)缺陷和線缺陷。然后，基于氮化硼納米薄膜在Ni(111)表面生長(zhǎng)的情況，研究了六角氮化硼納米材料中線缺陷的種類(lèi)和線缺陷對(duì)材料基礎(chǔ)性質(zhì)的影響。最后，基于理論計(jì)算我們介紹了單層磷烯納米材料中點(diǎn)缺陷的各向異性的遷移行為以及磷稀中的線缺陷。<

7、br>　　第三章主要介紹了應(yīng)力對(duì)低維納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。應(yīng)力是調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和性能的重要手段之一。我們基于第一性原理計(jì)算，研究了應(yīng)力對(duì)二硫化釩(VS2)二維層狀材料的結(jié)構(gòu)和性能的影響，并且解釋了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的高壓環(huán)境下VS2二維層狀材料電子結(jié)構(gòu)的變化。在考慮應(yīng)力對(duì)VS2二維層狀材料的影響的時(shí)候，我們分別討論了平行于VS2層狀材料平面的應(yīng)力以及垂直于VS2層狀材料平面的應(yīng)力。
　　第四章主要介紹了化學(xué)修飾對(duì)低維納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

8、的影響。本章包括兩個(gè)工作。在第一個(gè)工作中，我們研究了低濃度氫化對(duì)g-C3N4層狀材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，并且與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合證明了氫化后的g-C3N4層狀材料表現(xiàn)出良好的室溫下的鐵磁性。在第二個(gè)工作中，我們研究了氨化二硫化鎢(WS2)層狀納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。首先，我們確定了NH3分子可以轉(zhuǎn)化為N4+離子存在于WS2層狀材料的骨架中，與WS2層狀材料形成離子型插層化合物。然后，我們?cè)敿?xì)地討論了WS2層狀材料的各種相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了Trimer相和