從金屬原子鏈到金屬納米線：結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì).pdf

1、近年來(lái)，準(zhǔn)一維納米材料的研究引起了凝聚態(tài)物理、化學(xué)及材料科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，成為納米材料研究的熱點(diǎn)。準(zhǔn)一維納米材料包括納米絲，納米線(棒)、納米管、納米帶、納米同軸電纜、異質(zhì)結(jié)與超晶格納米線等。金屬原子鏈和金屬納米線是一維納米材料中在納米尺度上比較特殊、在應(yīng)用上比較有前景的兩種結(jié)構(gòu)，不僅是研究電子輸運(yùn)和力學(xué)參數(shù)尺寸與維度依賴(lài)的理想研究體系，同時(shí)也可作為納米連接以及功能組元在納米電子、光電器件中發(fā)揮不可替代的作用。目前有關(guān)準(zhǔn)一維金屬原子鏈

2、和金屬納米線的研究已經(jīng)成為納米材料科學(xué)領(lǐng)域的中心課題之一。 材料的物理性質(zhì)是材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。對(duì)準(zhǔn)一維納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電子性質(zhì)的理論研究能夠?yàn)闇?zhǔn)一維納米材料的制備、結(jié)構(gòu)的人工控制提供有意義的理論指導(dǎo)，是準(zhǔn)一維納米材料應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)上成功制得了懸掛于兩個(gè)金電極之間的穩(wěn)定的金單原子鏈，這一成果被認(rèn)為是低維物理以及納米科技發(fā)展的一個(gè)里程碑，此后人們遍把視線移到各種不同金屬形成的原子鏈上。Ti和Ni分別屬于前后過(guò)渡金

3、屬元素。Ti原子的電子組態(tài)是3d<'2>4s<'2>和Ni原子的電子組態(tài)3d<'2>4s<'2>有強(qiáng)烈的互補(bǔ)關(guān)系。為此，本論文采用第一性原理方法，系統(tǒng)地對(duì)Ti、Ni、TiNi合金原子鏈的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)(包括磁性質(zhì))進(jìn)行了系列性的研究，并過(guò)渡到具有一定截面半徑和不同截面形狀的金屬納米線，考察金屬納米線電子性質(zhì)的尺寸演化和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。期望本論文的研究和結(jié)論能為金屬納米線的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供有意義的理論指導(dǎo)。 本論文可分為兩部分。第一

4、部分介紹了研究工作所涉及的基本理論和第一原理方法。首先介紹了密度泛函理論，包括密度泛函理論的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程和交換關(guān)聯(lián)近似(局域密度近似和廣泛梯度近似)等。接著介紹了本研究工作中所采用的具體的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，即平面波展開(kāi)的第一性原理贗勢(shì)法。并對(duì)基于平面波贗勢(shì)法的VASF程序包的特點(diǎn)作了介紹。 第二部分共有五章，分別介紹我們的研究工作和結(jié)果： 在第三章中，研究了鈦和鎳原子

5、鏈的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明，Ti可以形成穩(wěn)定的線性、平面之字型，二聚化以及梯子型等一系列一維鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，Ni只可以形成穩(wěn)定的線性、之字型和梯子型結(jié)構(gòu)鏈，不能形成穩(wěn)定的二聚化結(jié)構(gòu)。我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)Ti的之字型結(jié)構(gòu)原子鏈在水平拉伸的過(guò)程中，在頂角為83。的地方會(huì)出現(xiàn)從銳角之字型結(jié)構(gòu)向鈍角之字型結(jié)構(gòu)的突變，這種情況在已經(jīng)計(jì)算過(guò)的許多原子鏈中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)。Ni可以形成兩種穩(wěn)定的之字型結(jié)構(gòu)。在一維情況下，鈦的成鍵與其體結(jié)構(gòu)有很大的不同，電

6、荷聚集在原子之間成有方向性的鍵，而一維鎳原子鏈的性質(zhì)仍保持電荷密度均勻化分布的金屬性特征，與鎳體結(jié)構(gòu)的電荷密度分布相似。在Ti，Ni各自形成的一系列一維鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，之字型結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，其他的結(jié)構(gòu)均為亞穩(wěn)，一維線性鏈?zhǔn)亲畈环€(wěn)定的。 在第四章中，研究了TiNi合金原子鏈的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。通過(guò)和單純的鈦鏈、鎳鏈比較，發(fā)現(xiàn)合金后TiNi鏈的穩(wěn)定性增強(qiáng)了，即體系的結(jié)合能降低了。合金鏈穩(wěn)定性的增加主要是由于合金后體系費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密

7、度的減少和Ti，Ni間形成更強(qiáng)的鍵所致。相對(duì)于之字型結(jié)構(gòu)，合金對(duì)直線鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高的更多。 在第五章中，我們考察了Ti，Ni原子鏈的磁學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)鈦的一維線性、二聚化和梯子型結(jié)構(gòu)在鐵磁極化和非磁極化下都能穩(wěn)定存在，梯子型結(jié)構(gòu)的磁性最強(qiáng)，而之字型結(jié)構(gòu)仍不表現(xiàn)出磁性，但之字型結(jié)構(gòu)仍然是所計(jì)算的一維鈦原子鏈中最穩(wěn)定的。對(duì)線性和之字型結(jié)構(gòu)的鎳原子鏈的研究發(fā)現(xiàn)，基態(tài)的線性和之字型鎳原子鏈與金屬鎳一樣都表現(xiàn)為鐵磁極化，從三維的金屬鎳到平

8、面之字型結(jié)構(gòu)再到一維的線性原子鏈，它們的單位原子的磁矩逐漸增大，體系的磁性逐漸增強(qiáng)。之字型結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)不受外界力作用的情況下，體系會(huì)出現(xiàn)反鐵磁極化。說(shuō)明體系的磁性質(zhì)與各原子鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有很大的關(guān)系。 第六章選擇不同尺寸和結(jié)構(gòu)的超細(xì)鈦金屬線，從第一原理計(jì)算的角度研究了它們的能量，電子態(tài)密度，電導(dǎo)等物理性質(zhì)，考察了這些金屬線的結(jié)合能，電子結(jié)構(gòu)以及電導(dǎo)對(duì)金屬線的尺寸和結(jié)構(gòu)的依賴(lài)關(guān)系。結(jié)果表明，鈦金屬線的單位原子的結(jié)合能在一定的納米范圍內(nèi)

9、與金屬絲的半徑的倒數(shù)成線性關(guān)系；金屬線的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)與金屬線的結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的依賴(lài)關(guān)系，隨著鈦金屬線半徑的增大，能態(tài)密度逐漸由離散，多峰的類(lèi)分子譜向比較連續(xù)的體材料的電子結(jié)構(gòu)演化；電導(dǎo)性質(zhì)的研究表明，金屬線的電導(dǎo)隨線半徑的增大而增大，隨著納米線的變粗，它們的電導(dǎo)通道數(shù)與原子鏈的股數(shù)并不相當(dāng)，表現(xiàn)出有越來(lái)越多的電導(dǎo)通道沒(méi)有被打開(kāi)。 在第七章中，我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同元素，如堿金屬、簡(jiǎn)單金屬、過(guò)渡金屬和貴金屬都可以形成穩(wěn)定的交錯(cuò)的五角

10、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)鏈(staggered pentagons)結(jié)構(gòu)，即：五角面互相平行排列，相鄰上下兩個(gè)五角面相對(duì)旋轉(zhuǎn)36°，并有一條單原子鏈穿過(guò)各五角面的中心。而非金屬元素Ge則更易于形成相鄰上下兩個(gè)五角面不旋轉(zhuǎn)的重疊五角對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)鏈(eclipsed pentagonal)。五角對(duì)稱(chēng)納米線的穩(wěn)定性介于一維鏈結(jié)構(gòu)和三維體結(jié)構(gòu)之間，即穩(wěn)定性強(qiáng)于一維鏈結(jié)構(gòu)。所計(jì)算的這些一維五角鏈結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出金屬性的特征，在能帶的費(fèi)米能級(jí)處都有能帶穿過(guò)。不同元素的五角