SiC纳米线初期微观生长模式及Ni液滴尺寸对其影响的理论计算和模拟研究

发布时间：2017-05-17 07:11

  本文关键词：SiC纳米线初期微观生长模式及Ni液滴尺寸对其影响的理论计算和模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：SiC一维纳米材料具有卓越的热学性能、机械性能、电学性能、磁学、吸波等性能,因此关于SiC一维纳米材料的研究和开发层出不穷。近年来,SiC一维纳米材料的研究已成为纳米材料研究领域的热点。SiC纳米线的微观生长模式和机理影响了SiC纳米线形貌、微结构、阵列形式,而这些因素决定了纳米材料的物理化学性能,因此,探究SiC纳米线的初期微观生长模式对于控制所制备出的SiC纳米线的物理化学性能具有重要的意义。本文运用基于第一性原理的从头算分子动力学模拟的方法,在获得优选催化剂镍(Ni)的基础上,结合气-液-固(VLS)生长机制,使用Materials Studio软件和SIESTA软件模拟研究了SiC纳米线在Ni催化剂液滴上的初期微观生长模式,模拟了SiC纳米线在具有最佳催化效果的Ni(111)晶面上的初期微观生长模式,探究了Ni催化剂液滴的尺寸对SiC纳米线初期微观生长模式的影响。主要的研究内容如下:(1)使用Materials Studio软件建立半径为4?的Ni催化剂原子簇模型,导出所建立模型的原子坐标数据至SIESTA软件平台中进行能量计算和结构优化,计算Ni原子簇模型体系的总能量,然后在已优化后的Ni催化剂原子簇表面上分别吸附活性C原子和活性Si原子,用SIESTA软件进行能量计算和结构优化,计算每个活性原子的吸附能并比较大小,从而确定在Ni催化剂上吸附的活性原子的种类、位置和吸附能。重复上述过程,不断向催化剂表面吸附新的活性原子,探究活性原子在Ni催化剂原子簇模型上的吸附规律。通过计算和分析数据得出,在吸附生长的最初阶段,活性C原子会优先在Ni催化剂表面形成碳原子层,继续在碳原子层上吸附活性原子时,活性Si原子优先于活性C原子吸附在碳原子层上继续生长,形成C、Si原子交替吸附的生长模式。(2)根据本课题组前期研究优选出的Ni(111)晶面为SiC纳米线最佳生长晶面的结果。使用Materials Studio软件建立镍催化剂的(111)晶面的模型,并向(111)晶面上分别吸附活性C原子和活性Si原子,使用Materials Studio软件的Castep模块对吸附了活性原子的整体模型进行能量计算和结构优化,并计算每个活性原子的吸附能。结果表明,活性C原子优先吸附在Ni(111)晶面上,活性Si原子优先于活性C原子吸附在已吸附于Ni(111)的碳原子上,从而形成C、Si原子交替吸附的生长模式。(3)分别建立半径为4?、5?、6?、的Ni催化剂原子簇模型,考虑Ni催化剂尺寸对SiC纳米线初期微观生长模式的影响。在Materials Studio软件中建立了Ni催化剂模型,并分别向催化剂的表面和内部吸附一个活性C原子或者活性Si原子,导出原子坐标数据至SIESTA软件平台中进行能量计算和结构优化。结果表明,在催化剂尺寸较小时,活性原子在催化剂表面直接吸附生长,只有当催化剂尺寸达到一定尺寸时,活性原子才会按照VLS生长机理先融入催化剂液滴的内部,然后析出生成SiC纳米线。
【关键词】：SiC纳米线 从头算分子动力学 催化剂 数值模拟
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O613.72
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 引言9-10
• 1.2 SiC一维纳米材料概述10-16
• 1.2.1 SiC一维纳米材料及制备方法概述11-12
• 1.2.2 SiC一维纳米材料的性能及应用研究概述12-15
• 1.2.2.1 光学性能及应用12-13
• 1.2.2.2 电学性能及应用13-14
• 1.2.2.3 机械性能及应用14
• 1.2.2.4 场发射性能及应用14-15
• 1.2.3 化学气相沉积法制备SiC纳米线15-16
• 1.2.3.1 化学气相沉积的定义15
• 1.2.3.2 化学气相沉积的特点和应用15-16
• 1.2.3.3 SiC纳米线的生长机制16
• 1.3 计算机模拟技术在纳米材料中的应用16-21
• 1.3.1 计算模拟在纳米材料制备中的应用17-18
• 1.3.2 计算模拟在纳米材料光学性能研究中的应用18-19
• 1.3.3 计算模拟在纳米材料电学性能研究中的应用19-20
• 1.3.4 计算模拟在纳米材料机械性能研究中的应用20
• 1.3.5 计算模拟在纳米材料场发射性能研究中的应用20-21
• 1.4 论文选题依据与研究内容21-24
• 1.4.1 选题依据21-22
• 1.4.2 研究内容22-24
• 2 计算方法和模拟软件24-34
• 2.1 第一性原理24-31
• 2.1.1 第一性原理简介24-25
• 2.1.2 第一性原理的计算思路25-27
• 2.1.3 分子轨道理论27-29
• 2.1.4 密度泛函理论29-30
• 2.1.4.1 Hohenberg-Kohn定理：多体理论29
• 2.1.4.2 Kohn-Sham方程：有效单体理论29-30
• 2.1.5 从头算分子动力学方法30-31
• 2.2 Materials Studio软件简介31-33
• 2.2.1 MS Visualizer31
• 2.2.2 MS Amorphous Cell31-32
• 2.2.3 MS CASTEP32
• 2.2.4 MS COMPASS32
• 2.2.5 MS Discover32
• 2.2.6 MS Adsorption Locator32-33
• 2.2.7 MS Dmol333
• 2.3 SIESTA软件简介33-34
• 3 SiC纳米线初期微观生长模式的理论计算与模拟研究34-55
• 3.1 碳源、硅源以及催化剂模型的构建34-36
• 3.2 吸附能计算公式36
• 3.3 计算参数的设定36-37
• 3.4 活性原子在Ni催化剂上吸附的能量计算和模拟分析37-52
• 3.5 活性原子在碳原子层上吸附的能量计算和模拟分析52-54
• 3.6 本章小结54-55
• 4 SiC纳米线在Ni(111)晶面上初期微观生长模式的研究55-60
• 4.1 吸附模型的构建55-56
• 4.2 计算参数的设定56
• 4.3 活性原子在Ni(111)表面上吸附的能量计算和模拟分析56-57
• 4.4 活性原子在已吸附完成的碳原子上吸附的能量计算和模拟分析57-59
• 4.5 本章小结59-60
• 5 Ni催化剂尺寸对SiC纳米线初期微观生长模式的影响60-73
• 5.1 活性原子在不同尺寸镍催化剂原子簇上的吸附模型60-63
• 5.2 计算参数的设定63-64
• 5.3 模拟实验过程简述64
• 5.4 活性原子在Ni催化剂表面和内部吸附的能量计算与模拟分析64-71
• 5.5 本章小结71-73
• 6 结论73-74
• 参考文献74-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士期间的主要成绩80-81

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