低維納米材料結(jié)構(gòu)演化及電子輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、碳納米管和納米線因?yàn)樵诘途S物理的基礎(chǔ)研究方面的重要性和在納米電子器件中的應(yīng)用前景而受到人們的廣泛重視。最近一些實(shí)驗(yàn)表明，人們已經(jīng)用單根碳納米管或者納米線成功制得了納米尺度的場(chǎng)效應(yīng)管、傳感器等納米器件。碳納米管和納米線作為納米器件的互連線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。因此，深入地研究碳納米管和納米線的結(jié)構(gòu)及電子輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)納米電子器件的開(kāi)發(fā)具有重要的意義。 雖然近幾年納米科學(xué)與技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是有很

2、多領(lǐng)域的研究還不夠完善，需要我們?nèi)ド钊氲靥骄?。?dāng)物質(zhì)被束縛在碳納米管中時(shí)，形成超細(xì)、組織有序的納米線，原有凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)將不再保持，而呈現(xiàn)出許多令人驚奇的奇異特性。本文重點(diǎn)討論金屬單質(zhì)、合金、半導(dǎo)體材料以及水分子被束縛在碳納米管中時(shí)所表現(xiàn)出的奇異的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和電子輸運(yùn)性質(zhì)。 我們分別采用密度泛函、基于分子動(dòng)力學(xué)的模擬退火、幾何優(yōu)化的方法研究碳納米管中的Ni、Ni-Al合金、半導(dǎo)體(Si、Ge、Sn)納米線的結(jié)構(gòu)演化。研

3、究發(fā)現(xiàn)，束縛在碳納米管中的納米線的穩(wěn)定幾何構(gòu)型為螺旋、多壁、圓柱形的結(jié)構(gòu)。我們還研究了這些納米線的電學(xué)性質(zhì)，例如：能態(tài)密度(DOS)、電流-電壓(I-V)特性、電導(dǎo)-電壓(G-V)特性。由于量子尺寸效應(yīng)，納米線的電流-電壓(I-V)曲線是非線性的，這與傳統(tǒng)的歐姆定律完全背離。計(jì)算結(jié)果表明Ni納米線的電子輸運(yùn)性質(zhì)依賴于納米線的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸。Ni-Al合金納米線中Ni原子的摻雜對(duì)合金納米線的整體生長(zhǎng)模式?jīng)]有太大的影響，而合金納米線的電導(dǎo)隨

4、著摻雜原子(Ni)數(shù)目的增多而減小。通過(guò)比較Si、Ge、Sn三種半導(dǎo)體納米線的一些非平衡輸量子輸運(yùn)性質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)Ge納米線的電導(dǎo)-電壓(G-V)曲線的波動(dòng)與其它兩者相比更有規(guī)律，因此Ge納米線中的電流更容易被控制，這些研究結(jié)果對(duì)更好的理解量子輸運(yùn)和設(shè)計(jì)納米電子器件有著重要的指導(dǎo)意義。 通過(guò)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們得到了低溫下水分子在碳納米管中形成的三邊形、四邊形、五邊形和六邊形的納米管結(jié)構(gòu)。同時(shí)還得到了螺旋、殼層結(jié)構(gòu)的冰納米線，

5、其中央是一根單分子鏈，這根單分子鏈被一個(gè)由六股螺旋分子鏈構(gòu)成的螺旋分子殼層所包圍。我們還研究了低溫條件下，碳納米管及其內(nèi)部的冰納米管同時(shí)受到軸向應(yīng)力作用時(shí)，整個(gè)體系的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)冰納米管具有極強(qiáng)的脆性。在整個(gè)體系的拉伸過(guò)程中，碳納米管中的冰納米管變成了很多個(gè)冰納米環(huán)，更有趣的是由六股螺旋單分子鏈構(gòu)成的螺旋分子殼層變成了形似彈簧的一股單分子鏈。 人們已經(jīng)用C60成功制備出單分子晶體管，并開(kāi)展了許多相關(guān)的研究。但是C60幾