文档介绍：学校代号 10530 学号 200699080038
分类号 O 415 密级
博士学位论文
新型纳米颗粒的结构与生长研究
学位申请人孟利军
指导教师钟建新教授
学院名称材料与光电物理学院
学科专业材料物理与化学
研究方向计算材料学
二零一零年五月
Studies of Structures and Growth of Novel
Nanoparticles
Candidate Lijun Meng
Supervisor Professor Jianxin Zhong
College Faculty of Material and Photoelectronic Physics
Program Physics and Chemistry of Materials
putational Materials Science
Degree Doctor of Science
University Xiangtan University
Date May 10, 2010
湘潭大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所
取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任
何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡
献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的
法律后果由本人承担。
作者签名: 日期: 年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意
学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文
被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编
入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇
编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名: 日期: 年月日
导师签名: 日期: 年月日
摘要
纳米颗粒及纳米颗粒与其它材料构成的复合结构成为近年来人们研究的热
点问题。我们采用分子动力学和蒙特卡罗方法对碳纳米管-硅纳米颗粒复合体系
(T)和过渡金属合金纳米颗粒的结构、生长、热稳定性等方面进行了系
统的研究。
采用分子动力学方法和模拟退火技术在原子尺度上模拟了不同尺寸硅纳米
颗粒在碳纳米管表面的生长和形成过程,并分析了获得的硅纳米颗粒的基本结
构。研究表明,由于碳纳米管巨大的表面曲率,硅原子层在纳米管表面不会形成
二维薄膜,而是形成具有三维结构的纳米颗粒。小的 SiNPs 可以稳定地附着在碳
纳米管表面,随 SiNPs 尺寸的增大分别呈类似帐篷状、笼状和类球型结构,尺寸
大于碳纳米管值径的大 SiNPs,则形成类似于硅晶体的无定型结构。
研究了碳纳米管内硅纳米线的形成过程,并采用 Lindemann 指数分析了这种
碳纳米管-硅纳米线复合结构(T)的热稳定性。研究表明,在碳纳米
管内填充一定数目的硅原子通过恒温弛豫和冷冻后,能够形成亚稳结构的硅纳米
线,从而获得一种 T 新型复合结构。由于碳纳米管的限制性保护作用,
封装的硅纳米线相比于自由空间中相同尺寸的硅纳米线具有更高的热稳定性。对
T 新型复合结构的屈曲力学性质的分析,我们发现碳管内硅纳米线的
存在增加了碳纳米管的临界压缩应变,但降低了碳纳米管的临界拉伸应变。
采用分子动力学和蒙特卡罗相结合的方法,分析研究了 FeCo 和 FeNi 合金纳
米颗粒的结构和形成机制。研究发现,对于 FeCo 和 FeNi 合金纳米颗粒,不论
是通过高温退火获得的晶体样结构,还是通过高温淬火获得的玻璃态结构,合金
颗粒都展现出一种新型的准核壳结构(QCS)。该结构表面被 Fe 原子所包裹,而
在合金结构内部 Fe 原子和 Co(Ni)原子则呈现均匀分布。对于这种准核壳结构
的形成机理,利用正二十面体结构模型进行了第一性原理总能分析和基于嵌入原
子方法势函数的交换能差分析,分析表明准核壳结构的形成机制主要是通过 Fe
原子分布在表面以降低体系的总能量。
研究了 FeCo,FeNi 合金纳米颗粒的结构相变。研究结果表明合金纳米颗粒
发生结构转变与退火率有关。当退火率低于 时,纳米颗粒能够转变为
有序晶体结构。此外,随着合金颗粒中原子组分的变化,纳米颗粒体系的结构也
发生相应的转变。对于 FeCo 纳米颗粒,随 Co 含量的增加,体系由 BCC 结构转
变为 FCC 结构,并最终转变