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《大连理工大学》 2015年
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运动带电粒子与纳米结构物质相互作用尾流效应和沟道过程的研究

张莹莹  
【摘要】:纳米结构的材料具有独特的电学、结构、力学、光学特性,直接涉及到电子、计算机、通讯、生物医药、能源、环境等诸多领域,是现代材料学和物理学的前沿课题。特别是,研究运动带电粒子与纳米结构的物质相互作用过程,可以有效促进离子束表面改性、离子束注入、纳米器件的沉积与制备等技术的发展。例如,碳纳米管优异的结构特点和电学性质,不断吸引人们采用碳纳米管输运带电粒子束,实现纳米量级的粒子束控制技术和场发射技术。其次,由于金属纳米制造技术在设计和应用上的快速发展,促使研究者们探索由运动离子引起的纳米结构金属的激发现象。另外,在纳米尺度内研究带电粒子与粗糙的金属表面相互作用引起的尾流效应,可以从能量分布角度进行定量的测量和分析,从而获得金属物质的详细信息。由于外来离子的入射,金属表面或体内电子容易受激发,产生感应电荷密度和空间感应电势的尾流效应,进而对入射离子产生横向阻止力及纵向镜像力等,影响入射离子的运动。因此,金属材料表面及体内电子的激发尾流效应与入射离子的运动过程密切相关。本文模拟计算了携能为keV-MeV的带电粒子在碳纳米管内的沟道过程,并研究了带电粒子与纳米结构的金属板和纳米级粗糙的金属表面相互作用引起的尾流效应。具体章节安排如下:在第二章中,首先介绍了与碳纳米管能带特点和具体几何结构有关的理论模型:采用半经典的动力学模型和线性介电响应理论相结合的方法,研究了具有不同能带结构的单壁碳纳米管(SWCNT)管壁电子的极化效应对带电离子的影响;当运动离子足够接近管壁碳原子时,利用分子动力学方法(MD)模拟带电离子与碳原子之间的多体相互作用。其中采用REBO势描述原子之间的相互作用势,其沿纳米管半径方向呈先吸引后排斥作用。在极化引力势和近距离的REBO势共同作用下,结果表明,运动离子在碳纳米管内被管壁连续反射:当处于总势能势阱位置附近时,运动离子呈小角度反射的螺旋状前进;远离势阱时,以大角度的反射前进,并很有可能穿透管壁运动出去。此沟道过程与运动离子的初始条件相关。此外,通过计算运动离子的能量损失,估算能量为56.25keV的入射氢离子最远可以穿过长度约为10μm的SWCNT.以上这些结论,为碳纳米管粒子束技术的研究与实现提供了一定的理论依据。最后,本章还比较了入射离子分别对单、双壁碳纳米管(2WCNTs)管壁电子尾流效应的影响,发现2WCNTs和具有相同外壁半径SWCNT相比,由于内壁的存在使外壁的尾流效应更加明显。在第三章中,利用量子流体动力学(QHD)模型,研究了带电粒子在纳米结构的金属板内运动产生的尾流效应。QHD模型中,电子气扰动的量子效应表现在同时考虑压强项和Bohm量子势对感应电荷密度的梯度修正,因此感应电荷密度方程变得相对复杂。为了得到感应电荷密度和感应电势,本章引入了符合物理意义的两组边界条件——Bohm量子势或者Bohm力的垂直分量在边界处为零。结果表明,不同边界条件的选择只影响带电离子较远位置处的尾流电势。此外,通过比较QHD模型和经典流体动力学(SHD)模型,发现在入射离子附近和远离入射离子的位置处观察,两种模型得到的尾流电势区别较明显,这是由于SHD模型中电子的量子效应只体现在Thomas-Fermi压强项上,而QHD模型还考虑了Bohm量子势的影响。并且,对于越薄的金属板,或者入射离子的速度越接近金属板集体激发时的临界速度,尾流电势的区别越容易观察到。最后,和局域流体动力学(LHD)模型相比,由于QHD模型和SHD模型考虑了电子的量子效应,尾流电势和阻止本领的值明显被降低。以上结果,特别是不同边界条件的选择,对于研究入射粒子与金属板等相关纳米结构物质相互作用引起的非局域效应,具有一定的参考价值。在第四章中,应用格林函数结合微扰理论的方法描述纳米级粗糙金属表面的介电响应形式,研究了不同粗糙程度的表面对单离子或双离子入射时尾流效应的影响。粗糙程度在纳米量级的金属表面用随机理论表示。结果发现,当单个离子入射到金属表面上时,粗糙表面加强了金属的尾流效应,使尾流电势、入射离子的自能和阻止本领的值都得到不同程度地增强。当两个具有一定距离的离子同时入射到金属表面上时,粗糙的表面对离子之间的屏蔽相互作用能影响较小,而对能量损失的比值影响较大,使能量损失的比值随离子之间距离的增加出现明显振荡。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.1

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