一维和二维纳米材料热力学性质的第一性原理研究

【摘要】随着器件尺寸的越来越小,低维材料表现出卓越的性能和可观的应用,获得越来越多的关注。研究发现,温度对纳米材料的性能和应用起着非常重要的作用,而现今对很多纳米材料的热力学性质的研究还很不充分。另一方面,随着计算机计算能力的提高,第一性原理计算模拟已经成为一种非常有效的科学研究的方法。因此,在这篇博士论文中,我们基于第一性原理的密度泛函理论,研究了一维和二维纳米材料的热力学性质。研究的热力学性质包括体系的比热,热传导和热膨胀现象。在第一章中,我们首先讨论了一维和二维纳米材料的研究现状。研究发现,这些低维纳米材料表现出不同于他们体相材料的一些新颖的性质,而且很多低维材料通过实验上的各种方法已经制备出来了。优越的性能和成熟的实验技术充分保障了这些低维材料的应用前景。在本章节的第二部分,我们介绍了现行的研究材料的热力学性质的一些模拟方法。现在比较广泛使用的是分子动力学模拟,和一些基于声子色散谱的方法。分子动力学的步骤,以及计算声子色散的方法,包括冻声子和密度泛函微扰,我们都进行了充分的讨论。在本章节的最后部分,我们给出了本文所采用的计算比热,热传导和热膨胀系数的相关公式。在第二章中,我们介绍了第一性原理密度泛函理论,包括它的起源,基础理论和公式。对于密度泛函计算模拟,交换关联泛函决定计算结果的准确度。现今几种流行的交换关联泛函,我们依次作了阐述。赝势能够非常有效的加快计算速度,已经得到了广泛的使用。常用的赝势包括模守恒赝势和超软赝势,本章中我们也分别作了简单的介绍。在本章的最后部分,基于声子色散谱,我们推导了文中使用的计算比热,热传导和热膨胀系数的公式。在第三章中,我们关注一维纳米材料的热力学性质,研究了单壁的硼管和氧化锌管俩种体系。对于单壁的硼管,我们研究了它的比热和热膨胀,热膨胀现象的研究是基于一个热膨胀各向同性的近似。结果表明,硼管的热膨胀系数依赖于管的手征性和管直径的大小,小尺寸的管表现出显著的热收缩现象。对于单壁的氧化锌管,我们首次提出了计算一维体系热膨胀系数的一种近似,氧化锌管热膨胀系数的研究就是基于这种近似之上。所有的单壁氧化锌管,除了(3,3)管,管长随着温度的升高而收缩,收缩的幅度和管的力学强度成反比。(3,3)管在整个研究的温度范围内都表现出热膨胀现象,明显不同于大多数原子层体系。对于这种反常的原子层体系的热膨胀现象,我们从氧化锌管结构特性出发,很好的解释了(3,3)管的热膨胀现象。在第四章中,我们对二维体系的热力学性质进行了讨论。首先,我们研究了由IV-A族元素,碳,硅,锗组成的纯净的单层石墨烯,硅烯和锗烯。对于石墨烯,硅烯和锗烯这三个单层结构,随着原子序数的增加,比热和热传导降低,而热收缩的幅度加剧。这变化的趋势是由原子质量和半径决定的。其次,我们考虑了带点缺陷的石墨烯的热膨胀现象。总共研究了四种结构,包括纯净的石墨烯,石墨烯的一个碳原子被硼原子替换掉,一个碳原子被氮原子替换,邻近的俩个碳原子被一个硼原子和氮原子替换掉,我们依次将它们命名为Graphene,Graphene_B,Graphene_N和Graphene_BN。我们发现这些点缺陷增强石墨烯的力学强度,并进一步的减弱石墨烯的热收缩现象。另外,p掺杂比n掺杂更能减弱石墨烯的热收缩。这种点缺陷减弱石墨烯热收缩的现象,能够降低石墨烯和其基底的在变化的温度中的晶格不匹配性,这将是非常实用的。再次,我们研究了一种迷人的Ⅱ-Ⅳ族元素的化合物单层氧化锌的比热,热传导和热膨胀现象。我们得到相当低的比热和热传导,以及显著的热收缩,表明单层氧化锌是一种可以基于变化的温度为其他原子层薄膜产生应变的理想材料。最后,我们研究了一到五层氧化锌层状结构的热膨胀行为。结果表明,氧化锌层状结构的热膨胀随其层数的增加而增加。单层和双层氧化锌结构在整个研究的温度范围内,呈现出热收缩现象,单层氧化锌的热收缩的幅度更加显著。三层结构在低温下收缩,高温下膨胀,它的热膨胀系数的绝对值相当较小。四层和五层结构随温度升高而膨胀。结合氧化锌层状结构的能带带隙随层数的增加而降低,我们设计了一种通过温度控制波长的激光器。在第五章中,是整篇论文的一个总结。
【作者】查显弧；
【导师】林子敬；张瑞勤；
【作者基本信息】中国科学技术大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】密度泛函理论；格林爱森常数；声子色散；比热；热传导；热膨胀；力学强度；

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