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钒钴一维单原子链及其一维合金原子链体系的理论研究

作　者: 刘淑兰
导　师: 李有成
学　校: 河北师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 密度泛函理论 金属原子链 结构稳定性 电磁性质
分类号: O488
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


近年来,由于准一维的纳米材料具有独特的几何结构和奇异的性质,在物理化学及材料等领域引起了科学家们广泛的关注。一维的原子链体系是能够验证三维系统各现成理论的试验平台,是理解真实纳米线的原子结构、力学与电学性质的重要基础。对一维金属原子链的探究有助于理解从纳米线拉伸至原子链的详细的过程,该研究成为材料物理界的一个热点之一。过渡金属V原子的电子组态是3d~34s~2,Co原子的电子组态为3d~74s~2,即两原子的电子组态有很强的互补关系。本论文基于密度泛函理论的计算方法研究了过渡金属V和Co各自所形成的一维原子链及其一维合金原子链的稳定结构和相关的性质。期望本研究能够为材料的制备,体系结构的控制生长及其推广应用方面提供有力的理论指导。第一章主要介绍准一维的金属原子链的研究北背景与进展,并且给出了本论文研究的对象。第二章简单介绍本论文所采用的理论,计算方法和所使用的软件包:首先介绍密度泛函理论(DFT)、交换关联泛函,然后对赝势和平面波基组给出简单解释,最后介绍量子化学软件包Vienna ab initio simulation package(简称VASP)。第三章,基于密度泛函理论,我们研究了钒和钴原子链的结构稳定性与电磁特性。结果表明:1) V原子能够形成稳定的直线型、二聚化型、平面之字型、梯子型和平面双之字型这五种一维的链式结构;Co不能形成平面双之字型结构,而是可以形成两种键角的平面之字型结构。2)在一维情况下,钒的成键情况和其块体结构有较大的不同,钒原子链中原子间的电荷密度呈现有方向性的键,这不同于块体中的均匀分布;钴原子链结构的电荷密度与其块体结构的分布相似,仍然保持均匀化分布,即呈现金属的特征。3)在V所形成的一系列的一维原子链式结构中,直线型链是最不稳定的结构,接近等边三角形的之字型结构链为最稳定的,其他几种结构都为亚稳定;在Co所形成的一维链式结构中,二聚化型是最不稳定的结构,稍差于直线型,梯子型的结构链为最稳定的。4) V的几种一维原子链在自旋极化情况下不具有磁性;Co的直线型链在自旋极化条件下不表现出磁有序,梯子型链表现出微弱的铁磁性,二聚化型结构链表现出较强的铁磁性,平面之字型链既具有铁磁性又表现出反铁磁性。在第四章中,基于密度泛函理论的第一原理的方法研究了VCo合金一维原子链结构的稳定性及其电子结构的特性。通过比较V、Co、VCo三种一系列的一维原子链结构的结合能,结果发现合金化使单纯的Co的一维原子链结构的稳定性增强了,但是降低了V的单原子链的稳定性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-15
  1.1 准一维金属原子链的研究背景  10
  1.2 准一维金属原子链的研究进展  10-13
  1.3 论文的选题及其研究内容  13-15
2 第一原理计算方法  15-23
  2.1 密度泛函理论  15-20
    2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理  15-17
    2.1.2 交换关联泛函  17-18
    2.1.3 赝势  18-19
    2.1.4 能带的平面波基组展开  19-20
  2.2 科学计算软件包 VASP  20-23
    2.2.1 VASP 的理论基础  20-21
    2.2.2 VASP 的功能简介  21-23
3 钒、钴单原子链的稳定性与电子结构  23-37
  3.1 引言  23-25
  3.2 计算方法  25
  3.3 钒原子链的计算结果和讨论  25-30
    3.3.1 优化之后的结构及结合能  25-28
    3.3.2 钒原子链的电子性质  28-30
    3.3.3 钒原子链的磁性质  30
  3.4 钴原子链的计算结果和讨论  30-36
    3.4.1 优化之后的结构及结合能  30-32
    3.4.2 钴原子链的电子性质  32-34
    3.4.3 钴原子链的磁性质  34-36
  3.5 本章小结  36-37
4 钒钴合金原子链的稳定性及电子结构  37-46
  4.1 引言  37-38
  4.2 计算方法  38-39
  4.3 计算结果和讨论  39-44
    4.3.1 稳定性和结合能  39-40
    4.3.2 合金原子链的电子性质  40-44
  4.4 本章小结  44-46
结论  46-47
参考文献  47-52
致谢  52

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 介观物理
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