小尺寸硅团族振动特性和熔化行为的研究

论文摘要

本文在密度泛函理论和局域密度近似的基础上,利用从头计算分子动力学方法,系统地研究了小尺寸硅团簇Sin（n=4-7）的基态结构、振动特性和熔化行为。利用缀加平面波加局域轨道方法,以Si4为例研究了小尺寸硅团簇熔化过程中电子结构的变化趋势。本文对Sin（n=4-7）进行了微正则系综模拟,通过对求得的速度自关联函数进行傅立叶变换,得到硅团簇的本征振动频率。通过与实验结果进行比较确定了Sin（n=4-7）的基态结构。计算结果表明,Si4-Si7基态结构分别具有D2h、D3h、D4h和D5h对称性。利用群论方法分析了Sin（n=4-7）的本征振动模式,得出了各个振动模式具有的对称性。本文的计算结果与实验值以及文献中的理论计算值都符合的很好。本文对Sin（n=4-7）进行了正则系综模拟。对硅团簇键长涨落参数的计算结果表明,硅团簇Si4-Si7由类固态到类液态的转变经历了一个很宽的过渡态温区,硅团簇在过渡态温区处于类固态与类液态的动力学共存态。将过渡态温区的中间值定义为熔点,Si4-Si7的熔点分别为1250K、950K、1250K和1400K。分析了硅团簇的振动谱随温度的变化关系以及团簇中原子热运动的空间轨迹,计算结果表明硅团簇在类固态具有明显的壳层结构,随着温度升高壳层结构逐渐被破坏,原子振动区域也逐渐增大。受热运动引起的非谐效应影响,硅团簇的本征振动模式随着温度升高也逐渐消失。对Si4在不同温度下抽取的各个空间构型的态密度计算结果表明,硅团簇存在由热运动引起的能级展宽效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 团簇概述
• 1.1.1 团簇及其基本性质
• 1.1.2 团簇的研究方法
• 1.2 半导体团簇的研究现状
• 1.3 本文的工作
• 第二章 密度泛函理论简介
• 2.1 Born-Oppenheimer 近似
• 2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.3 交换关联泛函的简化
• 2.4 布洛赫定理
• 第三章 分子动力学方法
• 3.1 经典分子动力学方法
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 运动方程及积分方法
• 3.1.3 原胞与周期性边界条件
• 3.1.4 模拟结果的分析方法
• 3.2 恒温下的分子动力学
• 3.2.1 Andersen 热浴
• 3.2.2 Nose-Hoover 热浴
• 3.3 CP 方法
• 3.3.1 CP 方法的基本原理
• 3.3.2 基于范数不变赝势CP 方法的具体实现
• n（n=4-7）的振动特性'>第四章 硅团簇Si_n（n=4-7）的振动特性
• n（n=4-7）的振动谱'>4.1 硅团簇Si_n（n=4-7）的振动谱
• 4.1.1 计算方法
• 4.1.2 结果与讨论
• n（n=4-7）的本征振动模式'>4.2 硅团簇Si_n（n=4-7）的本征振动模式
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 本章小节
• n（n=4-7）的熔化行为'>第五章 硅团簇Si_n（n=4-7）的熔化行为
• n（n=4-7）熔化对其空间结构的影响'>5.1 硅团簇Si_n（n=4-7）熔化对其空间结构的影响
• 5.1.1 熔化判据
• 5.1.2 计算方法
• 5.1.3 结果与讨论
• n（n=4-7）熔化对其电子结构的影响'>5.2 硅团簇Si_n（n=4-7）熔化对其电子结构的影响
• 5.2.1 能态密度
• 5.2.2 计算方法
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.3 本章小节
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果