文档介绍：山东大学
博士学位论文
低维金属氧化物纳米材料的结构和电子学特性研究
姓名:李丽娟
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:夏曰源
20080430
摘要伴随着纳米科学和技术的飞速发展,纳米材料由于自身尺寸大小擅壮叨之间哂行矶喽捞匚锢砘阅埽鹆巳嗣堑募ù笮巳ず凸刈ⅲ成为当前材料研究最活跃的领域之一。其中低维金属氧化物纳米材料以其独有的结构特征,优异的力学、光学、电学、电子学等特性而具有诱人的应用前景,研究它们的微观结构和性能对于探讨其形成机理,开发其应用潜力具有重要的意义。本论文针对具有中空管状结构的单壁水铝英石纳米管笪镅铣莆D擅拙须途哂行∶娼峁沟南诵靠笮脱趸亢土蚧磕擅撞牧纳米管和纳米线了相关的探索研究,获得了一些有重要意义的结果。在计算机科技飞速发展的今天,对于纳米材料的研究仅仅采用传统的实验方法已不能满足需要。近年来计算机模拟方法越来越受到青睐,成为除理论分析和实验研究之外的第三大工具,是沟通理论和实验的桥梁,不仅可以辅助实验,指导实验,而且可以得到一些实验难以测量的结果,并能深入揭示所研究系统的内在行为机制。当前主要有两种常用的计算方法:一种是第一原理计算方法,也称方法,主要包括自洽场方法和密度泛函方法;另一种是经验的或半经验的方法,比较常用的就是经典分子力学和分子动力学模拟方法。从头算法是从量子力学第一原理出发,通过自洽迭代求解薛定谔方程,可以预测材料的各种微观性质。经验算法是根据已有的相互作用势函数解析形式计算材料的针对本论文的研究体系臀鹗粞趸锬擅捉峁,本论文采用了密度泛函计算和经典分子力学和分子动力学模拟相结合的方法,研究了单壁水铝英石纳米管和氧化锌、硫化锌纳米材料的一些结构、电学和电子学特性。本论文主要分两部分,第一部分介绍了我们进行研究工作的理论基础,第二部分介绍了作者本人在攻读博士学位期间所作的主要研究工作,分别简介如下:芯抗ぷ鞯睦砺刍在本论文的第二章中针对研究方法,密度泛函计算和经典分子力学和分子动力学模拟方法做了简要的介绍。密度泛函方法是当前最为重要的一种基于第一原理的研究方法,由于其不依赖于任何经验参数而具有非常广泛的应用,且可以计某些性质。山东大学博士学位论文
算材料的结构性质、机械性质、电学性质、光学性质、磁学性质等多方面的性质,但是由于其计算量非常巨大,在当前的计算条件下,最多只能处理上百个原子的体系,对于更大的体系,只能借助予经验或半经验的方法。而经典分子力学和分子动力学模拟方法则具有较高的运算效率,可以计算上万个原子的体系,但是一般情况下只能研究物质的构象问题,机械特性或热力学特性,而不能涉及到化学变化,电子转移等问题。两种计算方法各有特点,把二者结合起来,就能研究更为广泛的课题。本章中针对这两种计算方法分别予以介绍,作为后面几章研究内容的理论基础简介。ケ谒劣⑹擅坠艿慕峁购土ρ匦匝芯自从碳纳米管首次被发现以来,以其独特的结构和优良的性质,成为了近年来纳米科技中的一个研究热点,并因此激励了其它无机纳米管的研究。但是制备中如何得到它们的直径均匀分布的纳米管粗本兜シ稚⑿,至今还是一个亟待解决的难题。人们研究发现了一种特殊的单壁水铝英石纳米管笪镅铣莆纳米晶须蘼凼翘烊坏幕蛉斯ず铣傻模季哂邢嗟惫潭ǖ闹本丁D敲吹ケ谒铝英石纳米管所具有的直径单分散性的内在机理是什么呢诒韭畚牡牡谌中我们采用经典分子力学方法研究了具有不同指数的纳米管的结构和能量,发现指数等于的纳米管对应着能量的最低值,从而证实了其直径单分散性。进一步分析了其直径具有单分散性的原因,结果表明是内壁硅烷醇对水铝层的功能化造成的。这一结果可为碳纳米管及其它无机纳米管的直径控制提供有益启示:可以在表面上连接功能化结构而引起键能的变化,从而有可能改变能量随尺寸的单调变化情况,解决其制备中很难得到直径单一的纳米管这一难题。同时采用经典动力学模拟方法研究了其主要力学特性,给出了杨氏模量和泊松比的数值。ケ谒劣⑹擅坠艿谋砻娴绾珊偷缱友匦匝芯诸多实验研究表明,单壁水铝英石纳米管具有广谱的吸附能力,既可以和阳离子反应,也可以和阴离子反应。可以通过在其表面吸附不同的功能基团实现功能化,单壁水铝英石纳米管的功能化是一个正在探索的新领域,最近已有不少关于其功能化的研究,具有十分诱人的应用前景。在本论文的第四章中采用密度泛函计算的方法研究了单壁水铝英石纳米管的表面“结构绾煞植技跋嘤Φ牡缱结构:纳米管的结构形变导致了沿径向存在着电场,同时在外表面感应出微弱正山东大学博士学位论文
电荷,而内表面的电荷分布具有“位点依赖性’’;偶极电场还造成了能级移动,使得带隙变窄,此外对应表面电子态的位点是活泼的反应位点。从而对其具有的广谱的吸附能力作出了合理的解释,同时说明可以简便的通过反应或吸附不同的功能基团实现单壁水铝英石纳米管的功能化。这些研究结果