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从金属原子链到金属纳米线：结构和电子性质

作　者: 李爱玉
导　师: 朱梓忠
学　校: 厦门大学
专　业: 理论物理
关键词: 金属原子链和纳米线结构稳定性和电子性质从头计算
分类号: O482
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 455次
引　用: 3次
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内容摘要

近年来,准一维纳米材料的研究引起了凝聚态物理、化学及材料科学家们的广泛关注,成为纳米材料研究的热点。准一维纳米材料包括纳米丝,纳米线(棒)、纳米管、纳米带、纳米同轴电缆、异质结与超晶格纳米线等。金属原子链和金属纳米线是一维纳米材料中在纳米尺度上比较特殊、在应用上比较有前景的两种结构,不仅是研究电子输运和力学参数尺寸与维度依赖的理想研究体系,同时也可作为纳米连接以及功能组元在纳米电子、光电器件中发挥不可替代的作用。目前有关准一维金属原子链和金属纳米线的研究已经成为纳米材料科学领域的中心课题之一。材料的物理性质是材料应用的基础。对准一维纳米材料的结构稳定性及电子性质的理论研究能够为准一维纳米材料的制备、结构的人工控制提供有意义的理论指导,是准一维纳米材料应用的前提和基础。近年来,实验上成功制得了悬挂于两个金电极之间的稳定的金单原子链,这一成果被认为是低维物理以及纳米科技发展的一个里程碑,此后人们遍把视线移到各种不同金属形成的原子链上。Ti和Ni分别属于前后过渡金属元素。Ti原子的电子组态是3d~24s~2和Ni原子的电子组态3d~24s~2有强烈的互补关系。为此,本论文采用第一性原理方法,系统地对Ti、Ni、TiNi合金原子链的结构稳定性和电子性质(包括磁性质)进行了系列性的研究,并过渡到具有一定截面半径和不同截面形状的金属纳米线,考察金属纳米线电子性质的尺寸演化和结构关联。期望本论文的研究和结论能为金属纳米线的开发和应用提供有意义的理论指导。本论文可分为两部分。第一部分介绍了研究工作所涉及的基本理论和第一原理方法。首先介绍了密度泛函理论,包括密度泛函理论的基本思想、Hobenberg- Kohn定理、Kohn-Sham方程和交换关联近似(局域密度近似和广泛梯度近似)等。接着介绍了本研究工作中所采用的具体的电子结构计算方法,即平面波展开的第一性原理赝势法。并对基于平面波赝势法的VASP程序包的特点作了介绍。第二部分共有五章,分别介绍我们的研究工作和结果:

全文目录

中文摘要  4-7
英文摘要  7-18
第一章绪论  18-27
  1.1 引言  18
  1.2 准一维金属原子链和纳米线研究背景和意义  18-19
  1.3 准一维金属原子链和纳米线研究的概述  19-23
  1.4 本研究工作的主要任务与意义  23-24
  参考文献  24-27
第二章第一性原理的理论基础和计算方法  27-49
  2.1 理论基础  27-35
    2.1.1 Hatree-Fock 方法  27-30
    2.1.2 密度泛函理论  30-35
  2.2 第一性原理计算方法  35-44
    2.2.1 赝势  35-41
    2.2.2 能带的平面波基展开  41-43
    2.2.3 力和Hellmann-Feynman 定理  43-44
  2.3 计算程序-VASP 程序包  44-46
  参考文献  46-49
第三章钛、镍原子链的电子和几何结构  49-65
  3.1 引言  49-50
  3.2 计算参数设置  50-52
  3.3 钛原子链的计算结果与讨论  52-58
    3.3.1 优化后的结构及结合能  52-56
    3.3.2 钛原子链的电子性质  56-58
  3.4 镍原子链的计算结果与讨论  58-62
    3.4.1 优化后的结构及结合能  58-60
    3.4.2 镍原子链的电子性质  60-62
  3.5 小结  62
  参考文献  62-65
第四章钛镍合金原子链：合金化提高结构的稳定性  65-77
  4.1 引言  65-66
  4.2 计算参数设置  66-67
  4.3 计算结果与讨论  67-74
    4.3.1 稳定性与结合能  67-69
    4.3.2 稳定性与电子性质  69-74
  4.4 小结  74-75
  参考文献  75-77
第五章钛、镍原子链的磁性  77-88
  5.1 引言  77
  5.2 计算参数设置  77-78
  5.3 钛原子链的计算结果与讨论  78-81
  5.4 镍原子链的计算结果与讨论  81-85
    5.4.1 镍原子链的磁状态和结构稳定性  81-83
    5.4.2 原子链的磁矩  83-84
    5.4.3 态密度  84-85
  5.5 小结  85-86
  参考文献  86-88
第六章从超细钛金属线到钛纳米线  88-98
  6.1 引言  88
  6.2 计算参数设置  88-89
  6.3 结果与讨论  89-93
    6.3.1 优化后的结构和结合能  89-92
    6.3.2 电子性质的结构关联和尺寸演化  92-93
  6.4 钛纳米线的输运性质  93-95
  6.5 小结  95-96
  参考文献  96-98
第七章五角对称的纳米线的从头计算  98-109
  7.1 引言  98-100
  7.2 计算参数设置  100
  7.3 计算结果与讨论  100-107
    7.3.1 优化后的结构和结合能  100-103
    7.3.2 电子性质  103-107
  7.4 小结  107
  参考文献  107-109
第八章总结  109-112
本人在博士生期间发表的论文  112-113
致谢  113

从金属原子链到金属纳米线：结构和电子性质

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