过渡金属管状纳米材料的受限生长和含线缺陷的低维BN与MoS_2纳米材料物性的数值模拟研究

【摘要】随着纳米技术的迅速发展,新的低维纳米结构材料不断地被制备出来。它们有着许多不同于体材料的特异性质,在物理学、化学、材料科学、生命科学,以及纳米电子学和纳米技术等领域有着巨大的应用潜力。比如,金属管状纳米材料有着独特的光学和电学性质,在超大规模集成电路、纳米电子学、光导纤维和传感器等领域有广泛的应用前景。此外,单层二硫化钼、二硫化钨和二维六角硼氮片等类石墨烯结构材料本身就具有直接带隙,弥补了石墨烯的缺憾,使它们在纳米光电子器件中有着广泛的应用前景。这些纳米材料吸引了不同研究领域内的众多实验和理论研究者不断地去探索和研究。本论文主要研究金属管状纳米材料的受限生长和含有线缺陷的二硫化钼与二维六角硼氮片的电子结构和磁性性质。在第一章,我们首先简要地介绍一下纳米科技的发展情况,然后着重介绍了碳纳米管、金属纳米管和二维类石墨烯纳米结构材料的研究情况。在第二章,我们专门介绍了经典分子动力学(MD)模拟方法。我们首先简单介绍了MD方法的基本原理,然后介绍了一些MD模拟过程中的重要因素,比如相互作用势、边界条件、模拟系综、温度和压强控制以及相关的数值积分方法。最后,我们简单介绍了著名的MD模拟软件包—LAMMPS,包括它的某些扩充和应用实例。在第三章,我们用经典的分子动力学模拟方法研究了在碳纳米管约束下的纯金、银、铜纳米管和二元金-银、金-铜和银-铜合金纳米管与纳米线的受限生长。MD模拟结果显示：三种纯的单壁金、银和铜纳米管和三种单壁金-银、金-铜和银-铜合金纳米管与纳米线在受限的碳纳米管中确实能够形成。它们的几何结构主要取决于碳纳米管的管径,而与其管指标关系不大。此外,我们研究了碳管约束下的金属纳米管的相变过程。最后,我们给出了合金纳米管的径向呼吸膜频率和它们的管径以及合金比的关系,这为实验上准确地测定它们的管径与合金比提供了重要的理论依据。在第四章,我们用第一性原理计算了含有平行于带边的(418)线缺陷的硼氮(BN)纳米带(LD-(4|8)-BNNR)的电子结构和磁性性质。研究发现两个B边的zigzag类型LD-(4|8)-BNNR基态是反铁磁耦合’+-+-’的间接带隙半导体,而有两个N边的基态为具有相同能量的铁磁耦合’++++’和反铁磁耦合’++-’的简并态。其中铁磁耦合’++++’表现出半金属性,而反铁磁耦合’++–,表现出金属性。相比之下,裸的和全部氢吸附的含有非对称(418)线缺陷的armchair边LD-(4|8)-BNNR都是非磁半导体,分别具有间接和直接带隙。更重要的是发现它们两个的带隙数值随着窄边宽度而不是整个纳米带宽度的变化,都表现出threefamily行为。最后,我们进一步确定了二维BN片中的zigzag和armchair类型的(4|8)线缺陷的稳定性,发现armchair类型的更稳定。在第五章,我们通过第一性原理计算,系统地研究了含有单硫和双硫线空位缺陷(其方向可以沿着armchair或者zigzag方向)的单层二硫化钼和二硫化钼纳米带的电子结构和磁性性质。研究发现嵌有沿着armchair方向的单硫与双硫线空位缺陷的单层二硫化钼都是半导体,分别具有直接和间接带隙,其数值比起纯净的单层二硫化钼的直接带隙都要小得多。然而更有趣的是,当硫线空位缺陷沿着zigzag方向时,我们发现这些单硫与双硫线空位缺陷引起的面外皱褶形变会导致单层二硫化钼的带隙大幅度地下降,甚至产生能带闭合。另一方面,对于二硫化钼纳米带,当硫线空位缺陷沿着armchair方向时,单硫和双硫线空位缺陷的二硫化钼纳米带都是非磁半导体；而沿着zigzag方向时,单硫和双硫线空位缺陷的二硫化钼纳米带都表现为磁性金属,而且纳米带边上的磁性耦合和纯净的无任何硫线空位缺陷的zigzag边二硫化钼纳米带边上的磁性相同,都表现为沿同一边是铁磁耦合。最后,我们计算了它们的稳定性,发现在单层二硫化钼中沿着armchair方向的单硫线空位缺陷是最稳定的,并预言了这种类型的硫线空位缺陷在未来的实验中可能被发现。
【作者】韩洋；
【导师】董锦明；
【作者基本信息】南京大学，理论物理，2014，博士
【关键词】低维；碳纳米管；金属纳米管；受限生长；分子动力学模拟；硼氮；二硫化钼；电磁性质；第一性原理；

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