新型低維納米材料的第一性原理計算與設(shè)計研究.pdf

1、隨著計算機性能的飛速發(fā)展以及計算方法的進步，計算物理已經(jīng)成為與理論和實驗同等重要的第三種研究方法。另外，隨著體系尺寸減小到納米級以及維度的降低，表面效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、尺寸效應(yīng)以及量子隧穿效應(yīng)變得越來越顯著，因而低維納米材料通常表現(xiàn)出不同于普通塊體材料的力學、熱學、光學、電子性質(zhì)和磁性質(zhì)。本文通過基于密度泛函理論的第一性原理計算，并結(jié)合分子動力學、緊束縛近似方法，研究了低維納米結(jié)構(gòu)，包括碳納米管、石墨烯、過渡金屬與有機/無機配體構(gòu)成的納

2、米線、金納米管包裹的過渡金屬單原子鏈的力學性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。主要結(jié)論如下:
　　 (1)拓撲缺陷對于碳納米管力學性質(zhì)的影響研究。運用密度泛函緊束縛近似（Density functional based tight binding，DFTB）方法，我們研究了拓撲缺陷對于單壁碳納米管力學性質(zhì)的影響。計算表明，五元環(huán)和七元環(huán)對于碳納米管的力學性質(zhì)起到截然相反的作用，即前者起到應(yīng)力發(fā)散的作用，而后者起到應(yīng)力集中作用。因而對于存在拓

3、撲缺陷的碳納米管，七元環(huán)附近成為整個碳納米管最薄弱的環(huán)節(jié)，使得碳管的拉伸強度顯著地下降。拉伸強度與拓撲缺陷引起的碳納米管彎曲角度有很大關(guān)系，即當拓撲缺陷的存在使得碳納米管彎曲角度達到30、60和90度時，其拉伸強度將分別下降到原先的～1/2、～1/3和～1/4;而碳納米管拉伸強度與碳納米管直徑的關(guān)系卻比較小。因此實際應(yīng)用中，我們必須獲得沒有缺陷的完美的碳納米管。而如果無法獲得超長的完美碳納米管時，我們必須盡量選擇那些彎曲角度比較小的、直

4、徑也比較小的碳納米管。
　　 (2)Y型三分支石墨烯納米帶(TWG)的設(shè)計。為了克服普通石墨烯納米帶在有限溫度下結(jié)構(gòu)的易變性，我們理論上設(shè)計了一種新穎的一維Y型三分支石墨烯納米帶(TWG)。這種TWG結(jié)構(gòu)顯著地改善了普通的一維石墨烯納米帶的熱穩(wěn)定性，即使在1000K的溫度下，依然能保持比較平坦的結(jié)構(gòu)，同時它還具有與普通的石墨烯納米帶類似甚至更好的電子性質(zhì)和磁性質(zhì)。更為有意思的是，這種三分支TWG結(jié)構(gòu)每一個分支的電子性質(zhì)是近似獨立

5、的，這意味著在實際應(yīng)用中我們可以分別運用這三個分支，構(gòu)建一些特殊功能材料如半導體-金屬結(jié)。此外，這種鋸齒型TWG結(jié)構(gòu)是很好的鐵磁材料，通過摻雜和邊界修飾還可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘俅判圆牧稀?br>　　 (3)多層石墨烯的氫化研究。對于多層石墨烯，在等離子環(huán)境下氫化可以將多層平坦的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸∧?HP-TDF)。從形成能的角度來看，單層石墨烯比兩層石墨烯更容易氫化，這一點與主要的實驗結(jié)論符合的很好。氫化的過程幾乎沒有勢壘存在，因而

6、實驗上也是很容易發(fā)生的。此外，HP-TDF具有較寬的帶隙，通過控制薄膜的厚度或者將其切割為一維的納米帶等手段都可以控制體系的帶隙大小，這種具有可調(diào)帶隙的納米結(jié)構(gòu)也許可以應(yīng)用于紫外發(fā)光和場致發(fā)射。
　　 (4)二維石墨烯和一維石墨烯納米帶的封裝研究。由于石墨烯的電子結(jié)構(gòu)容易受到外界雜質(zhì)、吸附的氣體分子和濕度的影響，為了讓基于石墨烯的電子器件能夠穩(wěn)定地工作，我們必須將其密封在封閉的環(huán)境中。計算表明，二維的石墨烯和一維的石墨烯納米帶的

7、電子性質(zhì)都非常穩(wěn)定，封裝過程不會改變其電子性質(zhì)，但是封裝過程引入的應(yīng)力會對石墨烯起到電子或者空穴摻雜的效果，通過控制應(yīng)力的大小還可以控制摻雜的程度。
　　 (5)鉍(Bi)納米帶的電子性質(zhì)研究。當二維的鉍(Bi)納米薄層切割成一維的納米帶后，其邊界發(fā)生了顯著的重構(gòu)，重構(gòu)導致新的共價鍵形成，同時也消除了邊界的懸掛鍵，釋放了邊界應(yīng)力，使得體系更加穩(wěn)定。二維的Bi納米單層是直接帶隙的半導體，而重構(gòu)的扶手椅型Bi納米帶則轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙的

8、半導體。對于鋸齒型Bi納米條，當邊界最外側(cè)Bi原子均勻排列時，體系表現(xiàn)出金屬性。但這種均勻排列的構(gòu)型是不穩(wěn)定的，Peierls相變會導致鋸齒型Bi納米帶從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w。Bi納米帶這種豐富可調(diào)的電子性質(zhì)可望應(yīng)用于設(shè)計小型化的電子器件。
　　 (6)過渡金屬-硼氮烷三明治納米線的電磁性質(zhì)研究。利用自旋極化的密度泛函方法，我們系統(tǒng)地研究了由過渡金屬(TM，TM=Sc、Ti、V、Cr和Mn)原子與硼氮烷組成的一維無限長三明治納米線[

9、TM(Borazine)]∞。與TM-Bz(Bz=benzene)納米線類似，[Sc(Borazine)]∞和[Cr(Borazine)]∞納米線分別是非磁性的金屬和半導體，而[Ti(Borazine)]∞納米線則是反鐵磁金屬，[V(Borazine)]∞和[Mn(Borazine)]∞納米線都是非常穩(wěn)定的鐵磁半金屬，因此這兩種納米線有望應(yīng)用于自旋電子器件的制備。
　　 (7)金納米管包裹過渡金屬單原子鏈的磁性質(zhì)研究。我們研究了