低維材料第一性原理計算研究.pdf

1、納米材料在一個或多個維度上的尺寸達(dá)到納米量級，在這些維度上，會出現(xiàn)一些大塊體相中觀察不到的新的量子現(xiàn)象以及奇特性質(zhì)。由于較低的維度而帶來的新性質(zhì)可以加深人們對自然世界的認(rèn)識，同時也推動人們發(fā)展新的應(yīng)用。低維納米材料在電、磁、光、力學(xué)、催化等方面的廣泛研究已經(jīng)進(jìn)行多年，同時單純的由于維度降低和體系對稱性而帶來的新的量子現(xiàn)象也引起了人們的廣泛興趣。另一方面，第一性原理計算在凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)中得到非常廣泛和成功的應(yīng)用。這一方法也

2、是研究低維納米材料的有力工具。本文主要將第一性原理計算應(yīng)用到低維的納米管和石墨烯納米條帶體系。 第一章簡要介紹了量子化學(xué)的開創(chuàng)和發(fā)展、密度泛函理論的提出和近年來的發(fā)展、計算中有關(guān)的其他部分。密度泛函理論以基態(tài)電子密度為基礎(chǔ)，認(rèn)為一個多粒子體系的任何性質(zhì)都是基態(tài)電子密度的函數(shù)。為了更精確地描述一些特定體系和為了更快計算較大體系密度泛函理論有多個不同發(fā)展方向。針對不同具體問題發(fā)展的密度泛函理論也取得了部分成功。此外更復(fù)雜的多體理論也

3、開始發(fā)展和應(yīng)用。最后我們簡要介紹了一些常見的密度泛函計算軟件包。 在第二章中，我們簡單介紹本文的主要研究對象納米管和石墨烯。碳納米管和硼氮納米管的發(fā)現(xiàn)和研究極大的開拓了人們對低維納米材料的認(rèn)識。本章對它們的制備、幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)和儲氫、催化等方面的應(yīng)用都做了簡單描述。石墨烯作為新型的二維材料由于其特殊的物理性質(zhì)引起了人們極大興趣。最近幾年來，它的幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)，以及它的衍生物等等都有非常多

4、的研究成果。石墨烯的納米條帶，作為理想的易于控制的一維納米材料也引起了廣泛關(guān)注。 第三章，我們研究硼氮納米管和氫的相互作用。實驗上發(fā)現(xiàn)電子照射下硼氮納米管中雙空位是穩(wěn)定的點缺陷。我們于是研究了雙空位缺陷硼氮納米管的儲氫性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)可以通過用氫原子鈍化雙空位來降低氫分子通過缺陷進(jìn)入硼氮納米管的勢壘，使得室溫下利用硼氮納米管的空間儲氫得以可能。氫原子鈍化降低了雙空位處的電勢，從而降低氫分子和缺陷的排斥作用。這一想法可以應(yīng)用到其他類

5、似的情況。 第四章，我們觀察更多的不同缺陷的硼氮納米管。不同的缺陷帶來不同的電子結(jié)構(gòu)，我們試圖通過外場來調(diào)節(jié)這些具有不同缺陷的硼氮納米管的性質(zhì)。適當(dāng)強(qiáng)度的靜態(tài)橫向外電場可以在降低硼氮納米管帶隙的同時，將缺陷態(tài)移向價帶或?qū)Ц浇?，從而調(diào)控體系的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。電場的方向和強(qiáng)度都是有效的控制參數(shù)。我們同樣可以從電勢的變化來解釋觀察到的現(xiàn)象。 硼氮納米管在電場下明顯的帶隙降低現(xiàn)象可能和其導(dǎo)帶底附近的近自由電子態(tài)有關(guān)。實驗和理論

6、也發(fā)現(xiàn)C60體系中具有原子軌道特征的態(tài)，它們可能和石墨中近自由電子態(tài)有相同來源。第五章中，我們研究了碳納米管和硼氮納米管的近自由電子態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)納米管中也有具有類原子軌道的角動量分布的近自由電子態(tài)，而此前的研究一般只提及最低的類似s軌道的近自由電子態(tài)。另外，我們研究了從一維納米管到相應(yīng)二維平面的漸變過程中，近自由電子態(tài)的變化。從二維平面，到一維納米管，再到零維富勒烯中相應(yīng)態(tài)的關(guān)系被確立，它們都來自統(tǒng)一的勢來源。多壁納米管和納米管雙分子中

7、的近自由電子態(tài)的性質(zhì)也被簡單探討。用外電場和堿金屬摻雜試圖降低近自由電子態(tài)的能量以接近費米面也被研究。 第六章中，我們繼續(xù)研究另一種一維材料，石墨烯納米條帶中的近自由電子態(tài)。維度的降低和體系對稱性帶來新的近自由電子態(tài)形貌。在一維石墨烯納米條帶的超晶格中有兩種不同類型的近自由電子態(tài)。一種弱束縛在條帶兩面，和上一章的近自由電子態(tài)有相同的勢來源。另一種束縛在超晶格的條帶之間，是超晶格排列的結(jié)果。通過電子摻雜可以降低近自由電子態(tài)的能量，