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金属纳米线奇异结构和物理性质的理论研究

王保林  
【摘要】: 金属纳米线因为在低维物理的基础研究方面的重要性和未来作为分子电子设备器件的应用前景而受到人们的广泛重视。最近,Kondo和Takayanagi提供了非常细的Au线类似纳米碳管的螺旋结构的实验证据。超过6 nm长、最小直径达到0.6 nm的悬浮金纳米线,已经在超高真空透射电子显微镜(ultrahigh vacuum transmission electron microscopy,UHVTEM)下,用电子束辐照在Au薄膜上成功制备出来。在充分粗和充分短时Au(110)纳米桥具有规则的fcc晶体结构,直径小于1.5nm时转变到规则但非晶、几个纳米长悬挂在顶针之间的纳米线。这些纳米线大都为离散的、特定幻数尺寸下的螺旋多壳结构,每个管由三角网格自相叠加而成。这种螺旋多壳的金属纳米线代表一种神奇的物质组织形态,类似于但又不同于团簇,人们还远没有充分了解这类物质结构。是什么决定了幻非晶纳米线的形貌和尺寸?除了Au以外的其它金属怎样?这种纳米线的物理性质,像力学、热学、电磁、光学、电导性质等等,以及在外部因素,包括温度、压力、及场等的作用下,线结构和性质的演化都具有潜在的兴趣。在本论文中,我们采用基于分子动力学的遗传算法,系统地研究了金、锆、铑、钛等金属纳米线的奇异结构。在结构优化的基础之上,我们比较系统地研究了这些金属纳米线各种奇异的物理性质。 采用基于分子动力学的遗传算法,模拟优化了自由状态的金纳米线的结构,发现比较细的纳米线结构是螺旋多壳的圆柱结构,而当直径增加到3nm以上时,金纳米线的结构呈现类晶体的fcc结构,这种非晶体-晶体转化的过程出乎预料地是从纳米线的核芯开始的。我们发现了中等尺寸的自由Au纳米线的幻闭壳数,是按照每个壳层增加6个原子绳的规律生长,这些纳米线的内外壳之间都是奇-奇或偶-偶匹配的耦合方式。基于优化的结构,采用动力学矩阵对角化的方法系统研究了Au纳米线的振动谱;采用有效核势的Dmol程序,用密度泛函理论(DFT)计算了金线的电子结构;用表面Green’s函数匹配方法的Landauer公式,还研究了金纳米线的电子输运性质。我们发现振动谱和电子性质随直径的增大而由分子型向类晶体行为转变。电导一般随线的直径的增加而增加,强烈地依赖于纳米线的结构。用常温分子动力学方法研究金纳米线的热力学行为,还发现了Au纳米线奇特的芯融化行为。


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