“核壳”式双金属纳米簇和纳米线结构和性能研究

论文摘要

近些年来,金属纳米簇和纳米线已经引起了人们广泛的关注。而由两种不同的金属组成的双金属纳米簇和纳米线,与单一金属纳米簇和纳米线相比,则具有更加优良的性能。由于其具有独特的物理、化学性质,被广泛地应用在化工、能源、机械、电学、光学和磁学等多个领域。与单一金属不同,双金属纳米簇和纳米线受组成和原子排列的影响,会出现特定的结构,比如“核壳”式结构。这种特定的结构引起了人们的广泛关注。因此对金属纳米簇和纳米线的研究具有非常重要的理论和实际意义。对双金属纳米簇和纳米线的研究主要集中在实验和理论计算两个方面。实验主要是对双金属纳米簇和纳米线新的合成方法与工艺的研究,还有如何对合成后的纳米簇和纳米线进行表征,确定其结构性质等方面。但是要获得其内部的机理情况,还需要进行理论计算研究。目前理论计算主要包括三个方面：量子计算（DFT）、分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）和蒙特卡罗模拟（Monte Carlo, MC）。DFT方法具有非常高的准确度,但是其最大的缺点就是计算量巨大,消耗时间也非常多,只能用于小的体系。而基于经验势能的MC和MD分子模拟方法可以用于稍大的双金属纳米簇和纳米线体系。本论文便是采用MC和MD方法分别用于产生双金属纳米簇和纳米线的几何结构以及模拟纳米线的拉伸过程。在选定了纳米簇和纳米线的初始构型以后,通过设定MC模拟方法的多个参数,可以获得不同温度、不同组成和不同结构下的双金属纳米簇和纳米线。在获得了不同化学组成的双金属纳米线以后,本文使用了MD方法模拟纳米线的拉伸过程。此外本文通过自主研发的原子对分布函数,深入地研究了双金属纳米簇原子尺度的结构性质。本文获得的主要结论如下：1.系统研究了Co-Pt双金属纳米簇的结构。MC模拟分别获得了561、561和711个原子的Macky二十面体（Ico-type）、十面体（Dec-type）和八面体（TOh-type）的Co-Pt双金属纳米簇,发现这些纳米簇均呈现出“核壳”式的结构。并且随着Co原子含量的增加,Co原子优先占据中心的位置,其次为对角线或邻近顶点的位置,最后为顶点和棱的位置。2.基于德拜方程等基本公式,本文自主研发了的原子对分布函数"APDFBC"程序包（Atomic Pair Distribution Function for Bimetallic Clusters, APDFBC）。该程序包没有受到周期性边界条件的约束,可以得到单一金属和双金属纳米簇的结构因子和原子对分布函数,并且可以进一步获得原子间距离等结构性质。本文采用该程序包获得的Co-Pt双金属纳米簇的结构因子,与实验获得的数据相当吻合。此外模拟获得的原子间距离也与实验结果一致。3.前人主要研究单一金属纳米线的拉伸机理,本文在获得了不同组成的Cu-Ni双金属纳米线的前提下,使用MD方法进一步的研究了其拉伸断裂机理。在300K温度和1.0%ps-1的拉伸速率下,Cu2002Nii598纳米线出现了结构相变的现象,该结构相变是从标准的FCC晶体变化为中间含有一个原子的六圆环结构。并且发现纳米线的组成和不同的拉伸速率都对Cu-Ni双金属纳米线的机械性能产生重要的影响。4.在Cu-Ni双金属纳米线的两组分弹性模量图（Two-component Elastic Modulus Diagram, TEMD）中,发现Cu-Ni双金属纳米线的弹性模量受Cu含量的影响显著。最后研究发现纳米线的表面能可以非常好的解释这一现象,比如表面能的迅速减小会导致弹性模量的迅速增加。本文的研究也进一步论证了表面效应是纳米材料的一条重要特性,能够对纳米线的机械性能产生重要的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 双金属纳米簇概述
• 1.1.1 纳米团簇简介
• 1.1.2 双金属纳米簇和纳米线
• 1.2 双金属纳米簇的类型和结构
• 1.2.1 双金属纳米簇的混合类型
• 1.2.2 双金属纳米簇的几何结构
• 1.2.3 影响双金属纳米簇混合、相分离和原子排列的因素
• 1.3 双金属纳米簇的实验制备
• 1.3.1 电化学法
• 1.3.2 化学还原法
• 1.3.2.1 共还原方法
• 1.3.2.2 逐次还原方法
• 1.3.2.3 还原联合体方法
• 1.3.3 热分解过渡金属化合物
• 1.3.4 粒子束法
• 1.4 论文的研究意义及内容
• 第二章 模拟计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 量子计算
• 2.3 MC模拟方法
• 2.4 MD模拟方法
• 2.5 势能函数
• 2.5.1 嵌入原子势能（EAM）
• 2.5.2 二阶动量近似紧束缚（TB-SMA）势能
• 第三章 Co-Pt双金属纳米簇
• 3.1 Co-Pt双金属纳米簇的研究现状及进展
• 3.2 模拟方法与细节
• 3.2.1 纳米簇的初始构型
• 3.2.2 模拟细节
• 3.3 Co-Pt双金属纳米簇结构
• 3.3.1 MC模拟过程中的一些物理量
• 3.3.2 MC模拟过程中Co含量随化学位之差△μ的变化情况
• 3.3.3 Co-Pt双金属纳米簇的构型图
• 3.3.4 Co-Pt双金属纳米簇的相对稳定性
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型原子对分布函数
• 4.1 引言
• 4.2 原子对分布函数原理
• 4.3 Ico-type、Dec-type和TOh-type结构下的结构因子
• 4.4 Ico-type、Dec-type和TOh-type结构下的新型原子对分布函数
• 4.5 不同Co含量下的新型原子对分布函数
• 4.6 不同温度下的新型原子对分布函数
• 4.7 本章小结
• 第五章 Cu-Ni双金属纳米线的拉伸
• 5.1 引言
• 5.2 模拟方法及细节
• 5.2.1 纳米线的初始构型
• 5.2.2 MC模拟细节
• 5.2.3 MD模拟细节
• 5.3 模拟结果及讨论
• 5.3.1 Cu-Ni双金属纳米线的构型图
• 2002Ni₁₅₉₈双金属纳米线拉伸过程及相变行为'>5.3.2 Cu₂₀₀₂Ni₁₅₉₈双金属纳米线拉伸过程及相变行为
• 5.3.3 不同化学组成Cu-Ni双金属纳米线的拉伸过程
• 5.3.4 不同拉伸速率下Cu-Ni双金属纳米线拉伸过程
• 5.3.5 组成依赖的Cu-Ni双金属纳米线机械性能
• 5.3.6 组成依赖的弹性模量的机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附录