收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

准一维纳米材料力—电—耦合和功能调控的物理力学研究

张助华  
【摘要】:低维纳米材料因为其诸多奇异的性质受到了国际科技界的普遍关注。因为量子效应,低维纳米材料往往展示出一般宏观材料难以具备的功能。准一维纳米材料因为在两个维度上存在尺度的限制,所以具有更显著的量子效应和超乎想象的功能。然而,纳米材料独特的力-电-磁耦合性质及其调控研究还处于相对初步的阶段,实际基底上有限纳米体系的功能和调控研究更为缺乏。本文基于第一原理密度泛函理论和半经验的紧束缚方法计算,对碳/氮化硼纳米管、石墨烯/氮化硼纳米带、有机金属纳米线等一系列准一维纳米材料性质进行了系统的物理力学研究。通过对这类准一维纳米材料施加各种物理场,如机械力、电场、磁场以及电荷或者基底引起的势场等,我们深入研究了它们的结构、电性和磁性的变化,得到了丰富的力电磁耦合规律。主要内容归纳如下: (1)碳纳米管的力电磁耦合和氮化硼纳米带能隙的电场调制研究:建立了研究碳纳米管的机电磁耦合效应的紧束缚模型。使用该模型,发现在轴向磁场和单轴/扭转应变的共同作用下,碳纳米管从半导体转变至金属的所需施加的临界磁场强度与碳纳米管所受应变成线性变化关系。碳纳米管的磁化系数随着应变增加发生明显振荡,振荡的周期与碳纳米管的手性和直径相关。尤其重要的是,应变可使碳纳米管发生顺磁-反磁性转变。 采用第一原理计算发现无论宽度大小和边缘形状,氮化硼纳米带均为宽禁带的绝缘体,因此其功能性受到很大限制,不同于石墨烯纳米带;然而,通过施加横向电场,发现氮化硼纳米带的能隙随电场强度的增加急剧减小,而且在一定的临界电场强度下能隙可被完全关闭。纳米带越宽,能隙受电场调制越显著,使得关闭能隙所需的临界电场强度越小,因此这一发现具有诱人的应用前景。 (2)氮化硼纳米管的稳定性和电、磁性质研究:氮化硼纳米管被普遍认为是宽禁带的绝缘体,这不利于其用作电子元件。通过系统研究小直径氮化硼纳米管的稳定性和电子性质,发现最小直径为0.267 nm的(3,0)氮化硼纳米管在室温下具有很好的稳定性,这一尺度打破了0.3 nm直径的最小纳米管记录。重要的是,氮化硼纳米管在小直径条件下变成了半导体,且它们的电子性质和功函数强烈依赖于碳纳米管手性。这些特性与一般直径的纳米管性质截然不同。我们进一步通过拓扑氟化氮化硼纳米管,发现了其存在长程的铁磁性自旋序和高自旋极化的性质,且自旋极化随管径减小而急剧增加,甚至出现半金属的性质。施加径向变形可显著调制氟化氮化硼纳米管的自旋极化,有望用于设计机械可控的自旋器件。另一方面,因为大直径的氮化硼纳米管具有很好的绝缘性而碳纳米管具有很好的导电能力,我们提出了碳纳米管@氮化硼纳米管形成的同轴电缆模型,确定了该电缆最优的层间距,发现其优异的电缆功能和突出的抗机械变形能力。但是这种异质电缆实验上不便于制备,所以有必要提出一全新的同质同轴电缆。我们通过注入电子进入双壁氮化硼纳米管,发现随着双壁氮化硼纳米管直径的减小,出现反常的静电效应:注入的电子更多地分布于内管,而外管则趋向保持电中性。施加径向应变能够有效地增加大直径双壁管中内管的电荷比例,所以双壁氮化硼纳米管可成为天然的同质同轴电缆。 (3)石墨烯纳米带的磁电效应及其在硅基底上受偏压调制的电性研究:石墨烯纳米带的研究是最近进展最为迅速的材料之一。然而实际应用中,基底是不可缺少的元素。通过系统的第一原理计算,发现当单层石墨烯纳米带吸附于Si(001)基底,纳米带宽度小于一定值时,在最稳定吸附位点纳米带可由金属性转变为半导体性,而宽度较大的石墨烯纳米带则一直保持金属性。非常有趣的是,在外加偏压的作用下,双层石墨烯纳米带吸附于Si(001)基底上会出现强烈的磁电效应。通过偏压控制顶层Z-GNR的p-n转换,发现磁电系数可正负变换,导致载体可调的磁电耦合。这是在轻元素磁体中首次发现磁电效应,与报道的过渡金属相关磁体中的磁电效应具有截然不同的物理机制。除磁性之外,顶层纳米带的能隙也可以通过偏压有效地调节,甚至可引起半导体-金属转变等重要的功能性。以上研究体系中,磁性均集中于石墨烯纳米带,是否能将磁性引入硅基底中呢?发现当单层石墨烯纳米带吸附于Si(111)基底上时,可在硅基底上引起强烈的自旋磁性。磁性显著依赖于纳米带的宽度和侧向距离以及纳米带的吸附方向,且对Z-GNR平面施加垂直的压应力可有效调控硅表面磁性。这一发现为设计硅为基元的自旋器件提供了新途径。 (4)过渡金属萘三明治纳米线磁序的电荷调控研究:有机金属三明治纳米线在自旋电子学领域具有重要的应用价值,但如何调控这种纳米线的磁耦合是一挑战。利用第一原理计算我们首次发现钒萘三明治纳米线不仅具有高的结构稳定性,而且其磁序可通过注入电荷来调控,注入电子可使钒萘纳米线由原本的反铁磁性耦合转变为铁磁性耦合,而注入空穴能够进一步稳定原本的反铁磁性耦合。在+2电荷态下,我们还发现钒萘纳米线发生金属-绝缘体转变。另外不同的过渡金属元素组成这类三明治纳米线也会引起不同的磁序。这些发现为三明治纳米线用作可控的自旋输运元件提供了理论上的可能性。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王玉桂,乔利杰,高克玮,宿彦京,褚武扬,王中林;单晶SnO_2纳米带裂纹形核的临界应力和断裂韧性[J];金属学报;2004年06期
2 谭军;;我国合成世界首例单晶碲化物纳米带[J];功能材料信息;2007年02期
3 孔德强;袁运法;白召军;张冰;陈荣峰;;溶胶凝胶法合成莫来石纳米带[J];无机化学学报;2006年02期
4 邹强;张之圣;李海燕;胡明;秦玉香;刘志刚;;聚乙烯醇辅助合成ZnO纳米带及其表征[J];高等学校化学学报;2006年07期
5 ;石墨纳米带有望成半导体新材料[J];材料导报;2008年S2期
6 ;我国合成世界首例单晶碲化物纳米带[J];化学与生物工程;2007年06期
7 邹强;张之圣;李海燕;李玲霞;胡明;秦玉香;刘志刚;;高分子自组装ZnO纳米带合成过程的研究[J];无机化学学报;2006年09期
8 杨枣;彭坤;袁缓;刘富生;胡爱平;;纳米带的研究进展[J];材料科学与工艺;2006年05期
9 ;纳米带[J];新材料产业;2002年05期
10 张翔晖;王月娇;韩祥云;高义华;黄德修;张端明;;氧化锡纳米带的制备和光致发光性能研究[J];纳米科技;2009年01期
11 ;石墨烯纳米带制备研究获新进展[J];电子元件与材料;2011年07期
12 王志俊;陶锋;刘伟丰;姚连增;蔡维理;;快速升温法制备CdS纳米带的生长机理研究[J];无机材料学报;2006年06期
13 黄在银;柴春芳;吴健;袁爱群;谭学才;周泽广;刘绍刚;;SnO_2纳米带的水辅助生长与表征[J];无机化学学报;2006年11期
14 李志华;张艳舞;;同一体系内水热合成VO_x·nH_2O纳米线和纳米带[J];唐山师范学院学报;2009年02期
15 ;石墨烯纳米带制备研究获新进展[J];中国材料进展;2011年05期
16 张宏晔;嵇天浩;李玲龙;齐兴义;刘奕帆;蔡建旺;杜海燕;孙家跃;;室温铁磁性Ni~(2+)掺杂TiO_2纳米带的制备与表征(英文)[J];物理化学学报;2008年04期
17 ;中科院化学所在石墨烯纳米带的可控合成与性质研究方面又获新进展[J];化工新型材料;2009年03期
18 张弜;赵彦明;;硼酸镁纳米带的制备、结构和生长机理[J];物理化学学报;2006年01期
19 姜妲;翟玉春;陈元涛;龚睿;张炜;;乙二胺-水体系中合成氧化锌纳米带[J];过程工程学报;2006年05期
20 彭红瑞;丁洁;王宁;李桂村;;钼掺杂五氧化二钒纳米带的制备及表征[J];青岛科技大学学报(自然科学版);2009年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 郑健;狄重安;刘洪涛;郭云龙;刘云圻;朱道本;;水热法剥离石墨烯纳米带[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年
2 刘会影;付红兵;姚建年;;基于给受体分子自组装而成的单晶纳米带的P型场效应晶体管的研究[A];中国化学会第28届学术年会第11分会场摘要集[C];2012年
3 郑瑞廷;程国安;赵勇;刘华平;梁昌林;;碳纳米带的结构与生长机制研究[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
4 李英;马秀良;;ZnO纳米带的电子显微学研究[A];第十三届全国电子显微学会议论文集[C];2004年
5 王彦敏;堵国君;刘宏;;TiO_2纳米带的制备、表征及形成机理探讨[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第4分册)[C];2010年
6 孟祥敏;范霞;张晓宏;刘馨;;ZnS纳米带的显微结构分析[A];2005年全国电子显微学会议论文集[C];2005年
7 骆军;朱航天;梁敬魁;饶光辉;;Bi_2Te_3三翼纳米带的共格生长和准周期粗糙表面[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
8 王书杰;李凤丽;程纲;杜祖亮;;单根SnO_2纳米带的电子输运特性[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 李大鹏;王冠中;;氧化物半导体超晶格纳米带自组装生长和结构表征[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年
10 李大鹏;王冠中;;ZnO超晶格纳米带Raman光谱[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 梁慧;镍、铝化合物微纳材料的溶剂热合成研究[D];山东大学;2010年
2 闵意;有机无机杂化分子的量子输运及器件设计[D];华中科技大学;2010年
3 任昀;分子尺度器件中的电子输运机理研究[D];湖南大学;2010年
4 王书杰;氧化物半导体纳米结构的制备及其光电性能研究[D];河南大学;2009年
5 李国华;一维硫属化合物纳米材料的可控合成及相关NANO/MEMS器件特性研究[D];合肥工业大学;2011年
6 张弜;一维纳米硼化合物和亚稳固溶体的制备与结构研究[D];浙江大学;2004年
7 廖文虎;石墨烯纳米带电光性质及应力调控研究[D];湖南师范大学;2010年
8 王志勇;含缺陷和掺杂石墨烯纳米带电子学和光学性能研究[D];湖南大学;2010年
9 宋玉玲;硅纳米带及氟饱和氮化铝纳米带的第一性原理研究[D];陕西师范大学;2012年
10 曹粲;杂质、缺陷及边缘修饰对锯齿型石墨烯纳米带输运性质的影响[D];中南大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴翟;高性能磷掺杂硫化镉纳米带场效应管及其光电性能研究[D];合肥工业大学;2010年
2 陈鹏;染料敏化纳米二氧化钛光电太阳能电池的研制[D];长春理工大学;2010年
3 袁硕红;纳米带中RKKY相互作用的尺寸效应[D];吉林大学;2010年
4 林健健;NiO/TiO_2纳米带异质结构的制备及其光催化性能的研究[D];山东轻工业学院;2011年
5 余功成;纳米压痕法研究单根ZnS纳米带的光机械效应[D];湘潭大学;2010年
6 钟蕾;一维钛酸纳米材料的制备、表面修饿与物性研究[D];武汉理工大学;2010年
7 荣英凤;BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征[D];湘潭大学;2010年
8 涂国营;二维石墨烯和C_(60)电子输运性质的量子化学研究[D];兰州大学;2010年
9 王丽丽;镍硫化物纳米材料的水热合成和表征[D];中国科学技术大学;2010年
10 于潼;CdS和CdSSe纳米带的制备及光电性质研究[D];湖南大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;纳米带来健康福音[N];中国体育报;2000年
2 柯仁;纳米材料的新朋友“纳米带”[N];北京科技报;2001年
3 记者 张小军;发现并合成“纳米带”[N];新华每日电讯;2001年
4 黄敏;光能“拧弯”物体[N];新华每日电讯;2010年
5 张小军;留美中国专家发现并合成“纳米带”[N];大众科技报;2001年
6 柏林记者 张兆军;我合成首例单晶碲化物纳米带[N];科技日报;2007年
7 郝钢;我国科学家合成世界首例单晶碲化物纳米带[N];中国有色金属报;2007年
8 柏林兆军;我科学家合成世界首例单晶碲化物纳米带[N];科技日报;2007年
9 李正孝 秘桂荣;唾手可得[N];计算机世界;2001年
10 本报记者 孙俊波;新材料技术发展日新月异[N];中国化工报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978