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Cu[110]纳米线弛豫结构和电子性质第一性原理的计算

作　者: 孙玥
导　师: 张建民
学　校: 陕西师范大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: Cu[110]纳米线结合能电子结构第一性原理
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要

在低维纳米体系中,纳米线在制造生物传感器、纳米电子系统、小型化光电设备中都有潜在应用。过去的十年里,在所有的一维纳米结构中,金属纳米线因其在制造电子器件领域的贡献得到人们的关注。Cu纳米线作为金属纳米线中的典型代表,一方面在未来的纳米电子器件中具有极其重要的应用价值,另一方面在实验研究中出现某些新奇的物理现象,比如可为电导量子化和尺寸效应等提供理想的模型系统。铜纳米线因其有大的比表面积,人们对它的结构和功能特性作了大量的理论和实验研究。尽管在实验中合成了不同形状和尺寸的Cu纳米线,但很少对弛豫结构和电子性质的分析。在TEM表征的铜纳米线中,[110]晶面导向的铜纳米线被认为是相对稳定的。本文则采用密度泛函框架下第一性原理投影缀加波方法来比较截面为长方形和六边形两种[110]晶面导向的Cu纳米线随尺寸大小变化弛豫结构和电子性质的对稳定性的影响。(1)首先,6种尺寸的Cu[110]纳米线的弛豫结构在垂直于(110)轴向上仍有具有二重对称性；Cu原子离纳米线中心点初始距离越远,弛豫量越大。第二,弛豫后6种尺寸纳米线的中心原子均保持不动。对于长方形截面对角线上的原子,弛豫方向为4个顶角上的原子明显大幅度向内收缩,而边长上非顶角的原子小幅度向内收缩；对于六边形截面的纳米线,除了顶点位置原子大幅度向内收缩,边长上其他位置的原子大多数向外扩张,即出现“倒棱”现象。第三,包括对角线、边长上及截面里起初处于一条线上铜原子,在弛豫过后的连线并不再笔直,出现了“皱褶”。(2)通过计算不同尺寸结构的Cu[110]纳米线的结合能,发现铜纳米线的结合能随着径长的增大而减小。块体Cu的结合能最低,最为稳定。此外,六边形截面的纳米线比相应的长方形截面的纳米线要稳定。即在[110]晶面方向上,Cu纳米线更容易形成六边形的柱状截面而非长方形,这也和实验中研究结果有较好的吻合。(3)在Cu[110]纳米线能带结构中,基于Cu的价电子为3d104s1,d带被占据。能带都呈抛物线状并且占据着较大的能量范围,在费米能级附近的态呈现近自由电子态,体现了表面附近电子的非局域特性。通过观察能带结构图中穿过费米能级的能带条数,可以得出六边形截面比长方形截面的铜纳米线更强的导电性。通过比较横截面为六边形的三个尺寸Cu[110]纳米线的总态密度,随着纳米线横截面积的增加,总态密度带宽度和费米能级处态密度值也随之增大。即截面为六边形的纳米线随尺寸的增大,导电性增强。(4)被切下Cu[110]纳米线上的表面原子之间以及与其相邻原子间的相互联系和作用增强,此现象为“趋肤效应”。切割后化学键断裂形成新的表面,表面原子并没有像那些在块体材料中的原子一样被充分键合,表面原子把本与切下的相邻原子共享的电子对现在给予了纳米线截面里的相邻原子,使剩余近邻的原子周围的电子增多,亦被称为金属的非局域键特性。金属的非局域键特性使纳米线的韧度变好、强度变强,体现出比金属块体材料更优异的机械力学性能。此外,和弛豫结构相类似,Cu[110]纳米线各截面的电荷密度图仍然有二重对称性。有关晶体的许多表面现象的产生都和表面电荷的重新分布息息相关。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章绪论——纳米材料与纳米科技  9-17
  1.1 纳米材料的概念和分类  9-11
  1.2 纳米材料的表征和制备  11-13
  1.3 纳米材料研究现状  13
  1.4 纳米材料的效应  13-15
  1.5 纳米材料的发展前景  15-17
第2章铜纳米线  17-27
  2.1 一维纳米线及金属纳米线  17-18
  2.2 铜纳米线的概述  18-23
    2.2.1 铜纳米线的的表征和制备  19-21
    2.2.2 铜纳米线的特性  21-23
  2.3 本论文的基本框架  23-27
第3章第一性原理计算方法及其理论基础  27-39
  3.1 第一性原理计算  27-28
  3.2 薛定谔方程  28-29
  3.3 绝热近似  29-30
  3.4 Hartree-Fock近似  30-31
  3.5 密度泛函理论  31-34
    3.5.1 Thomas-Fermi模型  31-32
    3.5.2. Hohenberg-Kohn理论  32
    3.5.3 Kohn-Sham方法  32-33
    3.5.4. 局域密度近似  33-34
    3.5.5. 广义梯度近似  34
  3.6 布洛赫定理  34-35
  3.7 平面波赝势  35-36
  3.8 VASP计算模拟包  36-39
第4章铜[110]纳米线第一性原理计算  39-49
  4.1 计算模型和方法  39-40
  4.2 结果与讨论  40-49
    4.2.1 弛豫结构  40-41
    4.2.2 结合能  41-43
    4.2.3 能带结构  43-44
    4.2.4 态密度  44-45
    4.2.5 电荷密度  45-49
第5章结论  49-51
参考文献  51-61
致谢  61-63
攻读硕士学位期间科研成果  63

Cu[110]纳米线弛豫结构和电子性质第一性原理的计算

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