纳米材料玻璃化转变和石墨烯界面及其吸附性质的计算机模拟研究

论文摘要

本文结合热力学理论和分子动力学计算,研究了低维纳米材料的玻璃化转变机理,预测了纳米材料尺寸依赖的玻璃化转变温度(Tg),熔化温度(Tm),Kauzmann温度(TK)和相关的热力学参数的尺寸效应。研究发现TK/Tm及本征的玻璃化转变的动力学参数ξ(协同运动区域的大小)和尺寸无关。由于石墨烯(graphene)在电子器件和传感器领域的巨大潜在应用前景,利用第一原理密度泛涵理论,本文还研究了graphene界面及其吸附性质。研究发现graphene和SiO2基底之间的作用是弱的范德华力,然而在大的电场作用下,它们之间形成共价键,破坏了graphene优良的电学性能,这在实际应用中应避免。此外,分别对CO分子在graphene和Al掺杂的graphene上的吸附进行研究,结果表明Al掺杂的graphene是作为CO分子传感器的极好材料。同时对其在不同电场强度F下的吸附/解吸附行为进行研究,结果表明正F减弱其吸附,负F增强其吸附,且在F = 0.03 au时发生了CO分子从Al掺杂的graphene上解吸附。说明该传感器材料可以通过外加一个大的正电场重新激活。最后,通过研究温度T对CO分子在Al掺杂的graphene上的吸附/解吸附行为的影响,结果发现CO传感器在T = 400K时具有最高的灵敏度,且在该温度下具有适中的解吸附时间。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料玻璃化转变过程中的热力学及动力学性质
• 1.3 石墨烯的界面结构及其吸附性质
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 计算机模拟技术
• 2.1 计算机模拟的发展
• 2.2 计算机模拟的可行性
• 2.3 计算机模拟的意义
• 2.4 第一原理计算方法简介
• 2.4.1 第一性原理对多体问题的处理方法
• 2.4.2 全同多粒子体系
• 2.4.3 Hartree-Fock 近似
• 2.4.4 局域密度泛函理论（DFT）
• 2.4.5 能带论
• 2.5 分子动力学方法简介
• 2.5.1 分子动力学模拟的意义
• 2.5.2 势函数
• 2.5.3 分子动力学算法
• 第三章 尺寸对二元聚合物共混物纳米薄膜的相容性及其玻璃化转变温度的影响
• 3.1 引言
• 3.2 模拟细节
• 3.3 结果和讨论
• 3.4 小结
• 第四章 银纳米颗粒的大小对 Kauzmann 温度和相关热力学参数的影响
• 4.1 引言
• 4.2 热力学模型
• 4.3 势函数模型和模拟细节
• 4.4 结果和讨论
• 4.4.1 大块银的热力学参数的模拟
• 4.4.2 银纳米粒子的Tm（D），TK（D）和Sm（T,D）函数
• 4.5 小结
• 第五章 类似 Lindemann 熔化准则的尺寸无关的聚合物玻璃化转变准则
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型
• 5.3 模拟过程
• 5.4 结果和讨论
• 5.5 小结
• 第六章 密度泛函理论计算石墨烯/二氧化硅界面的原子结构
• 6.1 界面之间的初始间距对界面原子结构的影响
• 6.1.1 引言
• 6.1.2 模拟过程
• 6.1.3 结果和讨论
• 6.2 电场对界面原子结构的影响
• 6.2.1 引言
• 6.2.2 计算方法
• 6.2.3 结果和讨论
• 6.3 小结
• 第七章 一氧化碳在铝掺杂的石墨烯上的吸附
• 7.1 一种新型的一氧化碳气体传感器材料：铝掺杂的石墨烯
• 7.1.1 引言
• 7.1.2 计算过程
• 7.1.3 结果和讨论
• 7.2 电场对一氧化碳在铝掺杂石墨烯上吸附/解吸附行为的影响
• 7.2.1 引言
• 7.2.2 计算过程
• 7.2.3 结果和讨论
• 7.3 一氧化碳分子和铝掺杂石墨烯之间相互作用的热稳定性
• 7.3.1 引言
• 7.3.2 模拟方法和原子热力学
• 7.3.3 结果和讨论
• 7.4 小结
• 第八章 主要结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 致谢
• 摘要
• Abstract