银纳米线的电子和热学性质的理论研究

论文摘要

金属纳米线因为在低维物理的基础研究方面的重要性以及未来作为分子电子设备器件的应用前景而受到人们的广泛重视。金属纳米线代表一种神奇的物质组织形态,是一个既不同于体材料又不同于原子、分子以及团簇的新的微观体系,有许多奇异性质等待人们去探索和发现。近年来,对金属原子链的研究成为材料物理的一个热点,这主要得益于实验上成功制得了悬挂于两个金电极之间的稳定的金单原子链,这一成果被认为是低维物理以及纳米科技的重要进展。除了原子链,对金属纳米线的研究也越来越受重视,在实验和理论上都进行了非常广泛的研究。我们采用第一原理和分子动力学方法,研究了Ag原子链的结构稳定性和磁性质,并模拟了Ag纳米线的熔化过程。期望本论文的研究和结论能为金属纳米线的开发和应用提供有意义的参考。主要内容包括:1)采用第一性原理方法研究了银原子链的结构稳定性和磁性质。计算结果表明,Ag可以形成直线链、平面之字型、梯子型和三条线性原子链组成的T型结构等链式结构。其中,直线型原子链的结合能最小,因而结构的稳定性最差。T结构的结合能最大,结构最稳定;之字型结构的结合能次之,为亚稳结构;梯子型结构再次之。所有一维结构的原子间键长都小于体材料时的键长,显示在一维情况下原子间的成键实际上比体材料时更强。对Ag各种原子链的磁性计算结果表明,Ag的一维直线链,平面之字型、梯子型和T结构原子链在平衡状态下都不表现出磁性。对Ag直线链的磁性研究表明,当原子链的原子键长被压缩52%时,体系可以表现出铁磁性。使用Stoner判据以及原子轨道图像,我们解释了Ag原子链出现磁性的原因。2)采用分子动力学方法模拟了Ag纳米线的熔化过程。模拟结果显示,Ag纳米线的熔点要比其相应的体材料的熔点低得多,其熔点与纳米线直径的倒数成线性关系。Ag纳米线的熔化是从表面开始的,并逐步向内部发展,直至核心区域。当温度高于熔点时,纳米线逐渐熔化、断裂,最后形成球形团簇。另外,对Ag体结构的模拟计算得到的熔点、热容量均与实验值吻合得很好,也证实了所采用的量子修正的Sutton-Chen（QSC）多体势的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 纳米材料的基本概念和性质
• 1.1.2 纳米材料的特性和应用
• 1.2 纳米线的研究现状
• 1.3 本研究工作的任务和意义
• 参考文献
• 第二章 计算模拟方法
• 2.1 第一性原理理论和计算方法
• 2.1.1 密度泛函理论
• 2.1.2 赝势
• 2.1.3 VASP程序包
• 2.2 分子动力学模拟介绍
• 2.2.1 牛顿运动方程
• 2.2.2 运动方程的数值积分
• 2.2.3 势函数
• 2.2.4 初始条件与周期性边界条件
• 参考文献
• 第三章 银原子链的结构和磁性
• 3.1 引言
• 3.2 计算参数设置
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 银原子链的结构稳定性
• 3.3.2 一维直线型Ag原子链的磁性
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 银纳米线熔化过程的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算机模拟的方法和过程
• 4.2.1 纳米线模型的建立
• 4.2.2 原子间相互作用势的选择
• 4.2.3 分子动力学模拟具体过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单晶银熔化过程的模拟
• 4.3.2 银纳米线熔化过程的模拟
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢