碲化铋纳米材料的制备及电子结构和力学性质的模拟

发布时间：2017-08-07 02:11

  本文关键词：碲化铋纳米材料的制备及电子结构和力学性质的模拟

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【摘要】：随着量子霍尔效应的发现,拓扑绝缘体开始走进了科学家们的视野中。由于拓扑绝缘体是一种特殊的量子物质态,所以其导电性能与传统的导体与绝缘体的相比完全不同,具体表现为:材料的内部是绝缘体,而表面呈现出导体的性质。作为拓扑绝缘体中最具代表性物质——碲化铋,具有室温下最高的热电优值,并且因其具有比较窄的能隙,因而在热电材料、相变储能材料以及拓扑绝缘体等方面有着极高的应用价值,现如今受到越来越多的科学家们的关注。本研究首先采用物理气相沉积的方法,制备碲化铋纳米材料,并讨论相关的实验条件对碲化铋纳米材料形貌的影响趋势。实验表明,在一定条件下,沉积温度越高,越容易形成纳米线结构;气体流速越快,越容易形成纳米线结构;沉积的基板的晶格参数与碲化铋的晶格参数有差异时,差异越大,越不容易沉积;沉积距离越远,沉积效果越不好。依据第一性原理的相关知识,使用计算机模拟软件Materials Studio 7.0进行第一性原理的相关模拟。使用“Reflex”模块模拟碲化铋的衍射图谱,模拟结果表明,在精度允许的范围内,模拟结果与实验结果基本吻合。使用“CASTEP”模块模拟碲化铋的电子能带图,分析得出碲化铋的带隙能量为0.427 eV,证明了碲化铋是一种窄带隙的半导体。依据分子动力学的相关知识,使用计算机模拟软件Materials Studio 7.0进行分子动力学的相关模拟。利用分子动力学模块“Discover”进行分子动力学模拟,模拟不同温度下的碲化铋的力学性能弹性常数。模拟的结果表明:模拟得到的碲化铋的刚度矩阵,其特征满足三角晶系的形式,并且随着温度的升高(从0K~600K),碲化铋纳米片的泊松比呈升高的趋势,而弹性模量、体积模量和剪切模量是随着温度的升高而逐渐减小的,并且符合线性变化的规律。
【关键词】：碲化铋 纳米材料 电子结构 分子动力学模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O614.532;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-34
• 1.1 课题研究背景9
• 1.2 拓扑绝缘体研究进展9-15
• 1.2.1 拓扑绝缘体的发现9-15
• 1.2.2 拓扑绝缘体的特性15
• 1.3 碲化铋的结构及其性质15-18
• 1.3.1 碲化铋的结构15-16
• 1.3.2 碲化铋的性质16-17
• 1.3.3 碲化铋晶体的制备工艺17-18
• 1.4 碲化铋纳米线的制备方法与生长机理18-22
• 1.4.1 碲化铋纳米线的制备方法19-21
• 1.4.2 碲化铋纳米线的生长机理21-22
• 1.5 国内外的研究进展22-24
• 1.5.1 碲化铋的研究进展22-23
• 1.5.2 分子动力学的研究进展23-24
• 1.6 第一性原理简介24-25
• 1.7 分子动力学25-32
• 1.7.1 分子动力学方法简介25
• 1.7.2 研究对象的确定25-26
• 1.7.3 牛顿运动方程26
• 1.7.4 有限差分方程26-27
• 1.7.5 势函数27-29
• 1.7.6 步长与时间29
• 1.7.7 周期性边界条件和截断距离29-30
• 1.7.8 分子模拟软件介绍及应用30-32
• 1.8 本文的研究目的和研究内容32-34
• 1.8.1 本论文研究目的32
• 1.8.2 本论文研究内容32-34
• 第2章 材料及测试方法34-38
• 2.1 引言34
• 2.2 实验原料34
• 2.3 实验设备34-35
• 2.4 碲化铋纳米材料的制备方法35-36
• 2.4.1 原料的预处理35
• 2.4.2 碲化铋纳米材料的制备35-36
• 2.5 测试方法36-38
• 2.5.1 扫描电子显微镜（SEM）37
• 2.5.2 X-射线衍射（X-ray diffraetion, XRD）37
• 2.5.3 拉曼光谱（Raman spectra）37-38
• 第3章 碲化铋纳米材料的制备及形貌的研究38-46
• 3.1 引言38
• 3.2 物理气相沉积法制备碲化铋纳米材料形貌表征38-45
• 3.2.1 XRD图谱38-39
• 3.2.2 拉曼光谱分析39
• 3.2.3 气相沉积的机理39-40
• 3.2.4 温度对碲化铋纳米材料形貌的影响40-41
• 3.2.5 气体流速对碲化铋纳米材料形貌的影响41-42
• 3.2.6 基板种类对碲化铋纳米材料形貌的影响42-43
• 3.2.7 沉积距离对碲化铋纳米材料形貌的影响43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第4章 碲化铋纳米材料的电子结构的模拟46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 碲化铋晶胞的建立46-50
• 4.3 第一性原理的计算50-51
• 4.3.1 优化几何构型50
• 4.3.2 参数的设置50-51
• 4.4 能带的结构模拟51-52
• 4.5 态密度结构模拟52-54
• 4.6 掺杂一定浓度的Bi原子或Te原子对电子结构的影响54-56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 碲化铋纳米片力学性质的模拟57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 分子动力学模拟的操作流程57
• 5.3 分子动力学模型的建立57-58
• 5.4 初始构型的几何优化——结构弛豫58-59
• 5.5 不同温度下材料力学性质的动力学模拟59-64
• 5.6 不同温度下碲化铋纳米材料性能的分析64-66
• 5.7 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-77
• 致谢77-78
• 简历78

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本文编号：632394