二氧化硅納米結構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構和優(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構模式，因此揭示二氧化硅納米材料的構造規(guī)律以及與結構密切相關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)的結構規(guī)律、能量穩(wěn)定性和相應的電子結構。著重研究了二氧化硅納米環(huán)狀結構的穩(wěn)定構型與團簇尺寸的變化規(guī)律，以及形成納米層狀和管狀結構的可能性。研究結果不僅為實驗上探索合成新型的二氧化硅納米結構提供重要的理論依據(jù)，同時也對準一維二氧化硅納米結構(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構

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)構成的一維分子鏈狀和納米環(huán)的結構隨尺寸的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)團簇(SiO2)n的穩(wěn)定構型和團簇尺寸n密切相關，當n<12時，由2-3MR構成的環(huán)狀團簇結構是最穩(wěn)定的，由3MR構成的結構次之。隨著團簇尺寸增加，當12

4、22時，由2-4MR結構構成的納米環(huán)狀結構成為最穩(wěn)定的構型。由2-6MR形成的團簇在所計算的尺寸范圍內(nèi)是最不穩(wěn)定的結構。
　　 (2)詳細研究了2MR與4MR雜化組成的納米環(huán)結構(2-4MR-NRs)的能量及電子結構，同時對這種納米環(huán)結構的光譜特征進行了分析研究，研究發(fā)現(xiàn)，這種環(huán)狀結構在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)狀結構的紅外光譜有明顯的差別，因此可以作為4MR結構的光譜指紋，這為實

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