二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的理論設計和性能預測.pdf

1、二氧化硅納米材料以其特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學特性成為納米材料領域最活躍的研究方向之一，它在微電子學、光通信技術(shù)以及催化等領域具有重要的應用前景。由于量子尺寸效應，二氧化硅納米材料表現(xiàn)出與體材料完全不同的豐富的結(jié)構(gòu)模式，因此揭示二氧化硅納米材料的構(gòu)造規(guī)律以及與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的物理化學特性是理論研究的重要課題之一。本論文利用密度泛函理論(Density Functional Theory，簡稱DFT)，系統(tǒng)地研究了二氧化硅納米團簇(OD)、納

2、米線/管(1D)和納米片層(2D)的結(jié)構(gòu)規(guī)律、能量穩(wěn)定性和相應的電子結(jié)構(gòu)。著重研究了二氧化硅納米環(huán)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)型與團簇尺寸的變化規(guī)律，以及形成納米層狀和管狀結(jié)構(gòu)的可能性。研究結(jié)果不僅為實驗上探索合成新型的二氧化硅納米結(jié)構(gòu)提供重要的理論依據(jù)，同時也對準一維二氧化硅納米結(jié)構(gòu)(如，納米線、納米管)的生長機制的研究具有重要的參考價值。
　　 本論文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
　　 (1)系統(tǒng)地研究了一系列二氧化硅納米團簇結(jié)構(gòu)

3、，包括由二元環(huán)(2-Membered Ring，2MR)、三元環(huán)(3MR)、四元環(huán)(4MR)以及二三雜化(2-3MR)、二四雜化(2-4MR)和二六雜化(2-6MR)的環(huán)構(gòu)成的一維分子鏈狀和納米環(huán)的結(jié)構(gòu)隨尺寸的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)團簇(SiO2)n的穩(wěn)定構(gòu)型和團簇尺寸n密切相關(guān)，當n<12時，由2-3MR構(gòu)成的環(huán)狀團簇結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的，由3MR構(gòu)成的結(jié)構(gòu)次之。隨著團簇尺寸增加，當12

4、22時，由2-4MR結(jié)構(gòu)構(gòu)成的納米環(huán)狀結(jié)構(gòu)成為最穩(wěn)定的構(gòu)型。由2-6MR形成的團簇在所計算的尺寸范圍內(nèi)是最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
　　 (2)詳細研究了2MR與4MR雜化組成的納米環(huán)結(jié)構(gòu)(2-4MR-NRs)的能量及電子結(jié)構(gòu)，同時對這種納米環(huán)結(jié)構(gòu)的光譜特征進行了分析研究，研究發(fā)現(xiàn)，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)在1000-1150 cm-1這個范圍附近都有峰值，這與單純由2MR組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的紅外光譜有明顯的差別，因此可以作為4MR結(jié)構(gòu)的光譜指紋，這為實

5、驗上確定二氧化硅團簇的特定結(jié)構(gòu)提供很好的依據(jù)。
　　 (3)根據(jù)相關(guān)的實驗報道，首次提出了由6MR組成的具有的類石墨結(jié)構(gòu)的納米片層結(jié)構(gòu)，并對這種新型結(jié)構(gòu)的能量穩(wěn)定性、力學特性和電子結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。計算發(fā)現(xiàn)：這種二氧化硅納米片層結(jié)構(gòu)與其它納米結(jié)構(gòu)相比具有很好的能量穩(wěn)定性。單層結(jié)構(gòu)相對于穩(wěn)α石英塊體材料的能量僅為0.144 eV/SiO2，由該片層按AB堆積形成的三維結(jié)構(gòu)，其相對能量進一步降低到0.096 eV/SiO2。該納