低維納米器件設(shè)計(jì)及相關(guān)物理問題研究.pdf

1、眾所周知，許多物理、化學(xué)、生物演化過程都是由原子與分子的熱運(yùn)動(dòng)所支配的。在這種意義上可以說原子的熱運(yùn)動(dòng)是最值得關(guān)注的自然過程。在歷史上，人類較早地認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)的熱運(yùn)動(dòng)本質(zhì)，而隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原子的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律引起了科學(xué)家更多地關(guān)注。這不僅因?yàn)樵谀壳暗母鞣N納米器件(量子點(diǎn)、納米線等)的制備中存在熱穩(wěn)定性問題，更因?yàn)槿藗冃枰O(shè)計(jì)具有奇特物理化學(xué)特性的新分子和新材料。關(guān)鍵的問題是如何從理論上預(yù)測上述熱驅(qū)動(dòng)演化過程進(jìn)行的速率。雖然現(xiàn)代物

2、理學(xué)理論(如量子場論)已有了長足發(fā)展，但是預(yù)測熱反應(yīng)速率是一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)性問題。繼1889年Arrhenius提出化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律之后，到目前為止已經(jīng)發(fā)展出許多熱反應(yīng)速率理論，其中最著名的應(yīng)是1935年提出的過渡態(tài)理論。然而數(shù)十年來的研究表明，傳統(tǒng)過渡態(tài)理論與實(shí)驗(yàn)觀測的速率往往有較大偏差，有時(shí)甚至產(chǎn)生數(shù)量級的差別。雖然現(xiàn)代過渡態(tài)理論已發(fā)展成為一系列復(fù)雜的模型，但仍然不能有效地改變與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。上個(gè)世紀(jì)五十年代建立

3、的分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，繼承了過去的碰撞理論，目前已深入到態(tài)態(tài)反應(yīng)的細(xì)節(jié)。但由于其關(guān)注的細(xì)節(jié)過于復(fù)雜，而無法建立起模型化的速率理論。除此之外，人們還發(fā)展了如RRKM理論等其他的熱反應(yīng)速率理論，但其結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有著或多或少的偏差。在這種情況下，雖然面對給定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以從眾多的理論模型中選出一種與之吻合，但很難找到一個(gè)普適的物理模型。這使得現(xiàn)代的納米材料、納米器件設(shè)計(jì)缺乏基本的理論預(yù)測手段，例如我們無法預(yù)知所設(shè)計(jì)的納米體系的壽命隨溫度如

4、何變化，等等。
　　 近幾年來，二維單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了研究者的廣泛關(guān)注。作為歷史上首次發(fā)現(xiàn)的二維材料，由于它具有一般體材料所不具備的一些特殊物理性質(zhì)，被認(rèn)為是能夠替代目前的硅基集成電路的新一代材料。我們在理論上提出了從石墨烯中制備一維單原子碳鏈的方案，與此同時(shí)碳鏈在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，我們希望設(shè)計(jì)出基于一維和二維晶體的更小尺度的納米器件，例如基于碳鏈的的整流器件，以突破目前集成電路小型化受到的量子效應(yīng)瓶頸。然而，尚沒有

5、精確的理論模型能夠預(yù)測基于碳鏈和石墨烯器件的穩(wěn)定性(壽命)，這容易導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備的盲目性。
　　 本文的工作試圖解決上述問題，提出了一個(gè)能夠預(yù)測各種熱驅(qū)動(dòng)的基元過程速率的統(tǒng)計(jì)力學(xué)模型。首先，我們論證了凝聚態(tài)物質(zhì)中的原子熱運(yùn)動(dòng)速率分布也是麥克斯韋分布，并在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè)基于單原子而不是整個(gè)體系的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)模型以克服過渡態(tài)理論的不足。事實(shí)證明，該模型的操作簡便易行，可方便地在第一性原理計(jì)算中實(shí)現(xiàn)。通過與分子動(dòng)力學(xué)模擬和一系

6、列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，我們驗(yàn)證了該模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，我們提出了基于單原子碳鏈的一系列器件的制備方法，分析了其壽命及相關(guān)基本物理問題，具體內(nèi)容有：
　　 1、理論上提出了一種從單層石墨烯中通過機(jī)械拉伸制備出單原子碳鏈的方案，并預(yù)測了單原子鏈與石墨烯相關(guān)結(jié)構(gòu)的壽命，結(jié)果表明1cm長的碳鏈在室溫下的壽命長達(dá)6×1043年，而金屬原子鏈卻不具備這樣的穩(wěn)定性。以上結(jié)果均得到了分子動(dòng)力學(xué)模擬和已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)。
　　 2、理論上

7、模擬了在單原子碳鏈中摻雜一兩種原子的方法，預(yù)測了摻雜后的碳鏈在室溫下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明摻雜鏈與純碳鏈同樣是非常穩(wěn)定的。在此基礎(chǔ)上提出了由BN分子摻雜的碳鏈構(gòu)成的整流器件。
　　 3、關(guān)于一維晶體中存在的大尺度的離域量子態(tài)，可在體系的一端施加局域作用以實(shí)現(xiàn)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷。按照量子理論的基本詮釋，如果該量子躍遷發(fā)生，則體系各處的量子狀態(tài)將瞬間改變，但這違反了相對論因果律。也就是說這種離域量子態(tài)躍遷的局域激發(fā)似乎是不可能的。本工

8、作從光與碳鏈的相互作用的角度探討了這個(gè)基本物理問題，表明局域激發(fā)離域量子態(tài)躍遷是可行的，并解釋了與相對論因果律之間的“矛盾”。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于單原子碳鏈的可連續(xù)調(diào)諧的紅外激光器，其調(diào)諧范圍覆蓋了當(dāng)今激光器調(diào)諧范圍的盲區(qū)，并且這種可調(diào)諧激光器的泵浦方法十分簡單，只需通電即可具有高的電光轉(zhuǎn)換效率。
　　 4、納米團(tuán)簇的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的微小的變化將大大改變其性質(zhì)，而目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)尚無法精確地測量納米團(tuán)簇

9、的結(jié)構(gòu)，因而理論預(yù)測是十分重要的。目前自由能(或勢能)判據(jù)被普遍應(yīng)用于團(tuán)簇生長過程異構(gòu)體形成預(yù)測。然而我們的研究表明自由能判據(jù)是不可靠的。本工作中將單原子模型用于團(tuán)簇的異構(gòu)化過程，提出了判斷團(tuán)簇異構(gòu)體形成幾率的理論模型。結(jié)果表明，單原子模型能夠很好地預(yù)測團(tuán)簇異構(gòu)化速率及異構(gòu)體壽命。
　　 5、將單原子模型應(yīng)用于單分子化學(xué)反應(yīng)速率的預(yù)測，并將其擴(kuò)展到了雙分子反應(yīng)。為了能夠?qū)卧幽Ｐ团c過渡態(tài)理論進(jìn)行嚴(yán)格比較，我們選擇了若干已有大量

10、實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)的反應(yīng)，特別是其靜態(tài)反應(yīng)勢壘已用嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)方法(如光解離)所確定。結(jié)果表明單原子模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，而過渡態(tài)理論則存在較大偏差。除此之外，我們還采用了分子動(dòng)力學(xué)模擬更嚴(yán)格地檢驗(yàn)了單原子模型。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，通過其相互作用勢可獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)勢壘，更重要的是，分子動(dòng)力學(xué)模擬不包含任何原子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)，為嚴(yán)格地檢驗(yàn)單原子模型提供了更可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，單原子模型確實(shí)比過渡態(tài)理論更準(zhǔn)確、更實(shí)用。
　　 此外，在此