受限空间中纳米线的结构演化及电子输运性

发布时间：2017-08-13 12:09

  本文关键词：受限空间中纳米线的结构演化及电子输运性

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【摘要】：近年来,一维纳米线和碳纳米管都是纳米材料研究领域中的热点,在纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面都具有极为广泛的应用前景。其中,纳米线凭借其不同于三维块体材料的独特结构及物理性能而备受关注。研究表明纳米线对氧气、水蒸气的敏感度较高,这对其结构的稳定造成了很大的威胁。于是人们开始借助碳纳米管作为模板来合成纳米线。碳纳米管具有优异的机械性能、热力学稳定性和化学稳定性,目前已被广泛地应用于合成一维纳米材料。在该方法中,纳米线因受到碳纳米管空腔的尺度效应以及其与管壁上碳原子间的相互作用而有可能拥有更特殊的结构和性质。因此使用碳纳米管作为模板来合成纳米线具有极为广泛的应用前景。本课题主要研究Ni、Ni-C及Si纳米线的结构与性质。首先利用分子动力学模拟来研究纳米线在碳纳米管受限空间中的结构演变特性,然后通过密度泛函理论与非平衡格林函数结合的方法来计算所得结构的电子传输性质。主要的研究内容及结论如下：(1)研究了从碳纳米管中获得的超细Ni及Ni-C合金纳米线的结构及电子输运性质。结果显示,当C原子浓度极低时,C原子优先占据纳米线的中间位置并被Ni原子所包围。随着C浓度的增大,因受到空间尺寸的限制,C原子不再严格占据中间位置,并开始形成C-C键。有趣的是,这些纳米线的电流极化与它们在费米能级处的自旋极化是相反的。增加C原子浓度主要通过两方面来提高Ni-C合金纳米线的电阻：减少电子传输通道的数目；降低Ni原子间电子轨道的耦合作用。此外,增大Ni-C合金纳米线的直径会直接增加其电子传输通道的数目从而增大电导。(2)系统地研究了受限空间中Si纳米线从3000 K降温至300 K这一过程中的结构演变,分别探讨了碳纳米管尺寸、冷速及模板形状对所得Si纳米线结构的影响。由于受到界面相互作用和Si-Si相互作用的影响,以1K/ps的冷速凝固后的Si纳米线结构是分层的,由按照晶体Si(100)面排列的最外层结构和类似非晶体的内芯结构组成。这种有序和无序结构的混合表现在双体分布函数曲线上为第二峰劈裂。凝固过程中由于受到空间尺寸效应的影响,与块体Si相比,Si纳米线中形成了更多的五配位团簇结构。增大模板的尺寸不利于所得层状结构的稳定性,而增大冷速会使与管壁相邻的晶体Si壳层的有序度降低。圆形的碳纳米管与方形碳管相比更有助于长程晶体序的形成,这一点主要归功于其更均匀的曲率。此外,所得Si纳米线在电学方面表现为金属性质,而碳纳米管的存在会在一定程度上减弱其电子传输能力。增大冷速也会减弱Si纳米线的电子输运能力。
【关键词】：纳米线 碳纳米管 结构 电子输运 受限空间
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 纳米线简介13-19
• 1.1.1 纳米线的结构14-16
• 1.1.2 纳米线的制备及研究现状16-17
• 1.1.3 纳米线的性能及应用17-19
• 1.2 碳纳米管简介19-21
• 1.2.1 碳纳米管的性能及应用19-20
• 1.2.2 碳纳米管受限空间中的填充20-21
• 1.3 本课题的意义及主要研究内容21-23
• 第二章 计算方法23-35
• 2.1 经典分子动力学模拟23-30
• 2.1.1 原子间相互作用势24-27
• 2.1.2 系综分类27-28
• 2.1.3 边界条件28-29
• 2.1.4 时间积分算法29-30
• 2.2 密度泛函理论30-31
• 2.3 非平衡格林函数31-35
• 第三章 碳纳米管中Ni及Ni-C纳米线的结构及电子输运性质35-47
• 3.1 引言35
• 3.2 计算方法35-37
• 3.3 结果与讨论37-45
• 3.3.1 Ni及Ni-C纳米线在碳纳米管内的结构37-39
• 3.3.2 Ni及Ni-C纳米线的电子输运性质39-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 受限空间中Si纳米线的结构演变及电子输运性质47-63
• 4.1 引言47
• 4.2 计算方法47-48
• 4.3 结果与讨论48-60
• 4.3.1 Si纳米线在碳纳米管内的结构演化48-58
• 4.3.2 Si纳米线的电子输运性质58-60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 参考文献65-77
• 致谢77-79
• 附录79-80
• 学位论文评阅及答辩情况表80

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本文编号：667195