螺旋結(jié)構(gòu)磁電性能的理論研究.pdf

1、螺旋結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界中，具有螺旋結(jié)構(gòu)的材料往往具有特殊的物理、化學(xué)和生物學(xué)性能。螺旋結(jié)構(gòu)與材料物理性能的關(guān)聯(lián)性是螺旋電子學(xué)研究的核心內(nèi)容，也是低維結(jié)構(gòu)新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著微納技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)合成出具有分子、納米和微米尺度的螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了非螺旋結(jié)構(gòu)所不具備的特殊性能。但是，目前關(guān)于電子受約束于螺旋結(jié)構(gòu)中的模型只能描述電子沿螺旋線的軸向運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際情況差別很大，不能全面地反映螺旋結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)聯(lián)性，從而制約了

2、螺旋材料乃至螺旋電子學(xué)的發(fā)展。針對(duì)目前螺旋結(jié)構(gòu)材料理論研究較少，尤其是螺旋結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)聯(lián)性尚未明朗的研究現(xiàn)狀，本論文以受約束于螺旋結(jié)構(gòu)中的電子為研究對(duì)象，在單電子受約束于螺旋線模型的基礎(chǔ)上，研究不同維度的螺旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子力學(xué)、DFT等方法，對(duì)不同螺旋結(jié)構(gòu)和勢(shì)場(chǎng)環(huán)境下的電子行為進(jìn)行理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，以得到電子行為的解析解和數(shù)值解，進(jìn)而研究電子行為與螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系以及電子在螺旋結(jié)構(gòu)中對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果概

3、述如下：
　　在受縛于螺旋線的單電子模型中，通過(guò)Byers-Yang規(guī)范變換，獲得了外加磁場(chǎng)下受約束于螺旋線中電子Schrodinger方程的波函數(shù)和能譜的解析解，并由此推導(dǎo)出電子的感生磁矩。實(shí)驗(yàn)上，本論文以螺旋碳纖維為研究對(duì)象，測(cè)量了這種具有螺旋結(jié)構(gòu)材料的低溫磁性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品的螺旋形貌被破壞以后抗磁信號(hào)增強(qiáng)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生順磁響應(yīng)，電子的角動(dòng)量極化是產(chǎn)生順磁響應(yīng)的根本原因，并且感生磁矩與螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)具

4、有關(guān)聯(lián)性。
　　為了更貼近實(shí)際情況，本論文在受縛于螺旋線的單電子模型的基礎(chǔ)上，將電子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)充到三維空間，并在與半徑成反比關(guān)系的約束勢(shì)下，利用級(jí)數(shù)法求解了受約束于螺旋線的電子Schrodinger方程，通過(guò)兩次變量代換得到了電子波函數(shù)和能譜的解析解。理論計(jì)算結(jié)果表明，受約束于螺旋柱空間的電子運(yùn)動(dòng)可由軸向、角向和徑向三個(gè)量子數(shù)來(lái)描述。軸向量子數(shù)描述了電子沿螺旋線的運(yùn)動(dòng)，這與傳統(tǒng)的受約束于螺旋線的單電子模型所描述的電子行為一致；角向量

5、子數(shù)描述了電子繞帶正電螺旋線的角向運(yùn)動(dòng)，其絕對(duì)值的大小反映了電子的軌道面積；徑向量子數(shù)描述了電子垂直于帶正電螺旋線方向的運(yùn)動(dòng)，其大小反映了電子軌道的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和軌道面積。
　　在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，本論文進(jìn)一步計(jì)算了螺旋柱空間中電子的自旋-軌道耦合波函數(shù)，自旋-軌道相互作用下電子能譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及在外加磁場(chǎng)作用下螺旋結(jié)構(gòu)中電子的復(fù)雜Zeeman效應(yīng)。理論計(jì)算結(jié)果表明，自旋-軌道相互作用使得能級(jí)的簡(jiǎn)并被部分消除。由于自旋-軌道耦合的存

6、在，電子在外加磁場(chǎng)下能級(jí)的簡(jiǎn)并被完全消除。值得關(guān)注的是，此時(shí)所得到的能級(jí)受到螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控，個(gè)別能級(jí)隨螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變表現(xiàn)出了順磁-抗磁相變，能譜表現(xiàn)出了磁手征各向異性。
　　對(duì)于分子尺度的螺旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)基于DFT的第一性原理計(jì)算，本論文研究了手征性破缺以及螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)鋰分子管構(gòu)型以及能帶結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，手征性破缺存在兩種基本形式--橫螺旋化(只改變分子管中原子的軸向坐標(biāo))和縱螺旋化(只改變分子管中原子的橫截面坐標(biāo))。無(wú)

7、論哪種形式，其本質(zhì)都是使得分子管側(cè)面的二維空間群由C1變?yōu)镃1h，并且其軸向能帶結(jié)構(gòu)中穿過(guò)Fermi能級(jí)的能帶條數(shù)較非手征性增加，間接表明手征性破缺有利于分子管中電子輸運(yùn)性質(zhì)的提高。橫螺旋管的能帶結(jié)構(gòu)隨拉伸應(yīng)變表現(xiàn)為由金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)金屬性的轉(zhuǎn)變，從而揭示了螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋分子管的輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控機(jī)理。
　　綜上所述，本論文以研究螺旋結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)聯(lián)性為目的，以理論建模為主結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，研究了螺旋結(jié)構(gòu)中的電子行為，在此基