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低维纳米结构体系的电性质和应力效应

作　者: 丁建文
导　师: 颜晓红
学　校: 湘潭大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 纳米结构材料 碳纳米管 应力效应 尺寸效应 界面效应 卷曲效应 电子结构 能隙 量子化电导
分类号: O482
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


由于制备工艺和技术的进步,近十年来纳米结构材料特别是低维纳米结构材料正经历着一场革命性的进展。使用不同的合成方法,人们能够制备出团簇、纤维、薄膜、涂层、粉末以及块体等形式的纳米结构材料。这些材料可能在零维到三维方向受到约束,一般限制在100nm的尺度范围之内。其原子结构显然不同于无序的玻璃和有序的晶体,界面原子所占比例非常大,可以达到5~50%。在这些材料中可以观察到一些奇异的物理和力学新效应如小尺寸效应、表面和界面效应、压电效应等。因而,它们可能具有优于常规固体的物理力学性能,甚至呈现一些常规固体不具有的反常性质。现在人们已经认识到,通过控制粒子尺寸或通过纳米粒子的适当组装就可以人为调整或改变材料的性质。一门新兴学科——纳米材料科学已经形成,它与力学的交叉产生了一系列的基础力学问题,涉及到物理力学、纳米力学以及力学中的数学方法。这些问题与凝聚态物理、纳米物理、表面物理、化学等众多学科密切相关。然而,理论上如何理解非完备纳米结构体系的物理力学性能仍然是一个挑战。主要的困难在于经典力学、经典的晶格动力学等理论和分子动力学等纯数值方法已经不太适应这些对称性发生了破缺的新型结构体系。如何研究这些体系的奇异物理力学性能,有待人们发展新的理论研究方法。碳纳米管是准一维纳米功能材料,是低维纳米结构体系的一个典型代表。它具有惊人的力学性能,是自然界中强度最大的材料之一,而且即使来回反复的弯曲也不容易破裂。有趣的是,它们既可以是金属也可以是半导体,仅仅依赖其管径和螺旋度等几何结构参量而不需要任何掺杂。它们还具有良好的热导率以及非同一般的光学性能。这些独一无二的性能使得它们可能成为理想的微电子元器件以及压电装置的分子材料。因此,它们是研究纳米材料电性质、力性质以及力电效应的非常理想的研究对象。本文中我们发展了一系列有效的理论方法,系统地研究了碳纳米管等材料的电子性质以及应力效应。本论文共有八章。第一章主要介绍研究纳米结构体系性质的基本理论和方法。作为具体例子,我们发展转移矩阵方法和重正化群方法,研究了一维纳米

全文目录


中文摘要  3-6
英文摘要  6-13
前言  13-18
第一章 基本理论和方法  18-40
  第一节 引言  18-25
  第二节 转移矩阵方法  25-30
  第三节 重正化群方法  30-36
  第四节 电子输运理论简介  36-40
第二章 低维纳米结构体系的结构特征和优异性能  40-58
  第一节 引言  40-43
  第二节 低维纳米结构材料  43-47
  第三节 准一维碳纳米管材料  47-58
第三章 SWCN 电性质的结构关联：能隙与管径和螺旋度的解析关系  58-68
  第一节 引言  58-59
  第二节 SWCN 的能带结构和转移矩阵方法  59-61
  第三节 能隙与管径和螺旋度的关系  61-64
  第四节 理论计算和模拟  64-66
  第五节 小结  66-68
第四章 SWCN 电性质的卷曲效应:键长、键角的变化和常规杂化效应  68-76
  第一节 引言  68-69
  第二节 SWCN 结构模型和sp3 紧束缚方法  69-72
  第三节 计算和模拟  72-74
  第四节 小结  74-76
第五章 SWCN 电性质的应力效应：半导体和金属、绝缘体和金属转变  76-86
  第一节 引言  76-77
  第二节 应力作用下 SWCN 的结构模型  77-79
  第三节 单电子π轨道模型和LCB 和HVB 的解析式  79-80
  第四节 sp3 四轨道紧束缚计算  80-84
  第五节 小结  84-86
第六章 SWCN 和MWCN 的量子化电导: 卷曲效应和壁间耦合作用  86-96
  第一节 引言  86-87
  第二节 SWCN 的量子化电导  87-92
  第三节 MWCN 的量子化电导  92-94
  第四节 小结  94-96
第七章 扶手型 SWCN 环的电子结构: 连续谱和离散谱的转变  96-106
  第一节 引言  96-97
  第二节 扶手型碳纳米管环的结构模型  97-98
  第三节 单电子π轨道紧束缚近似方法  98-101
  第四节 计算和模拟  101-104
  第五节 小结  104-106
第八章 总结与展望  106-114
  第一节 总结  106-109
  第二节 展望  109-114
攻读博士期间完成的论文和相关工作  114-116
致谢  116

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质
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