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SnO_2纳米团簇、纳米管及其功能化的理论研究

董希  
【摘要】: 近年来,纳米材料作为一种新型的材料结构,以其独特的性能和诱人的应用前景,引起了科学工作者的极大兴趣和关注,成为材料科学研究领域的一个新兴热点。目前,对于二氧化锡的研究主要集中在体材料上,然而纳米结构的半导体二氧化锡材料具有很多先进的重要特性。减小材料的尺寸直到纳米量级会大大增加材料的比表面积,并且量子效应的作用在纳米技术中也具有重要地位,因此二氧化锡纳米结构(例如纳米团簇)的研究具有重要意义。 计算机模拟在当今科学研究中起着非常重要的作用,成为理论分析和实验研究之外,研究物质世界的第三大工具,是沟通理论和实验的桥梁。在研究纳米材料时,通常有两种计算方法:第一种称为从头算法或第一性原理;第二种称为经验法或半经验法。 本论文中,我们采用密度泛函理论计算,研究了二氧化锡纳米团簇的稳定构型及其电子学性质,构造了二氧化锡片层结构和二氧化锡纳米管,并给出了纳米管的电子结构。在此基础上,用重金属铂掺杂二氧化锡纳米管,然后计算掺杂后的纳米管对一氧化碳气体分子的吸附性能。 本论文主要包括以下几个方面的内容: 一、研究工作的理论基础 第二章介绍了从头计算方法和密度泛函理论基础。在该章中,我们对从头算方法的基本原理、密度泛函计算和所用计算软件DMol~3进行了简要的介绍。密度泛函方法是当前最重要的一种基于第一性原理计算的研究方法,由于其不依赖于任何经验参数而具有非常广泛的应用;DMol~3是Materials Studio中的一个模块,是独特的密度泛函理论(DFT)量子力学软件,可以研究气相、溶液、表面和固体系统。 二、SnO_2纳米团簇和纳米管的理论研究 第三章研究了二氧化锡纳米团簇的稳定构型与纳米管的结构和电子学特性。对于(SnO_2)_n,根据n的不同构造不同结构的二氧化锡纳米团簇,详细地计算了各种结构的结合能,得到能量最高即最稳定的构型,分析稳定构型的电子结构。 通过我们的计算,发现n=1时二氧化锡只有一种线性结构;n=2-4时,最稳定的二氧化锡纳米团簇构型为由相互垂直的菱形组成的一维链状结构;随着二氧化锡分子数的增加,当n=5时锡原子出现了5配位的情况,对于n=5-8,一维蜂窝状结构是最稳定的构型;随着n的进一步增加,蜂窝状结构除了在一维方向上延伸之外,还可以向两边拓展形成二维蜂窝状结构,在n≥9时,二氧化锡纳米团簇的最稳定构型变为二维蜂窝状结构。 在纳米团簇的基础上,对二维蜂窝状结构进一步拓展,得到了二氧化锡的二维片状结构,此片状二氧化锡是一个O-Sn-O三层的结构。不同的二氧化锡片层之间通过范德瓦尔斯力结合在一起。晶格参数为α=5.69(?)和b=3.25(?),其结合能为14.03eV/SnO_2,而体结构的结合能为14.48eV/SnO_2,两者仅相差0.45eV/SnO_2,因此二氧化锡的二维片状结构是一种亚稳态,在实验上很有可能合成。 与碳纳米管类似,二氧化锡片层结构也可以从不同方向卷曲成二氧化锡纳米管,并且二氧化锡纳米管也可分为扶手椅型、锯齿型及手性纳米管。本论文计算了扶手椅型和锯齿型纳米管的应变能与管径大小的关系,并与(8,8)的单壁碳纳米管和(10,0)的二硫化锡纳米管做比较,发现二氧化锡纳米管要比二硫化锡在实验上更容易得到。此外,我们还计算了扶手椅型和锯齿型二氧化锡纳米管的带隙,发现纳米管的带隙随直径的增大而增大,并且扶手椅型纳米管的带隙比相同直径的锯齿型纳米管的带隙稍小。 三、铂原子掺杂二氧化锡纳米管及其气敏特性的理论计算 第四章研究了铂原子掺杂二氧化锡纳米管及其气敏特性。我们知道掺杂能够有效的提高纳米管对气体的灵敏度,因此我们研究了重金属铂掺杂二氧化锡纳米管,发现铂原子替代纳米管中的一个锡原子之后,引起替代位附近结构发生轻微内陷,并且纳米管的带隙变窄,提高了纳米管的反应活性,这将有利于提高其气敏特性。用一氧化碳气体分子吸附在铂原子掺杂前后的二氧化锡纳米管上,发现一氧化碳分子的碳原子一端比较靠近纳米管,并且都是物理吸附。


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