氧化物纳米团簇的结构设计及电学特性

论文摘要

纳米氧化锌是带宽3.37eV的宽带半导体材料,以其优良的物理化学特性引起了人们的极大关注,在太阳能电池,传感器,光催化材料,量子器件等领域具有广泛的应用前景。由于量子尺寸效应氧化锌纳米结构（包括纳米团簇、纳米线、纳米管和纳米带等）具有与块体材料不同的性质,从而为调控其物理化学特性提供了新的途径。关于氧化锌纳米团簇的研究尤为重要,不仅为氧化锌纳米团簇的生长和应用提供理论指导,同时也有助于理解氧化锌纳米生长机制。本文采用分子动力学模拟与密度泛函理论计算相结合的方法,研究了不同尺寸的氧化锌（Zno）n团簇的稳定结构和电子学特性,并针对几个特定尺寸的氧化锌团簇的几何结构和电子结构进行了系统的研究,同时对管状和链式的氧化锌团簇的能量和电子特性进行初步的探讨,具体的内容如下:1.采用分类与基元相结合的方法,设计和构造了大量的氧化锌团簇的初始构型,经过结构优化得到了n=2-48范围内的稳定结构,并研究了氧化锌团簇的稳定结构模式、形成能和电子结构随团簇尺寸的变化关系。得到了以下的结论:1)团簇的稳定结构模式与团簇的尺寸密切相关,根据结构模式的变化规律,可以划分为三个区域,即当n=2-7,稳定结构模式是环状结构,形成能随尺寸增大急剧下降;在n=7-12的尺寸范围属环状结构到笼状结构的过渡区域,形成能随团簇的尺寸发生振荡;当n≥13,团簇的稳定结构模式是笼状结构,形成能随尺寸的变化趋于平缓。2)笼状结构由Zn-O四边形、六边形和八边形组成,其中的原子具有三配位结构,即每个原子和周围的三个原子相连,四边形、六边形和八边形的数目满足欧拉定理。3)团簇的能隙（HOMO-LUMO gap）随团簇尺寸的增加发生振荡。2.对n=12,16和24的团簇的可能的结构模式进行了较系统的研究,在计算过程中充分考虑了各种可能的异构体,发现八边形的引入降低了团簇的稳定性,而由四边形和六边形组成的结构具有很好的稳定性。3.对管状氧化锌团簇的研究表明:团簇中原子（端部原子除外）呈现四配位结构,即每个原子和周围的四个原子相连。六边形管状结构的稳定最高,其次是八边形。四边形管状结构的稳定性最差,在扰动下,部分Zn-O键会发生断裂,转化成稳定较高的链式结构转化。六边形管状结构的稳定最高,其次是八边形,再次是四边形。上述管状结构的能量随团簇尺寸的增加而降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• §1.1 背景
• §1.2 方法
• §1.3 选题
• §1.4 论文结构
• 第一章 氧化锌纳米结构
• §1.1 氧化锌的结构性质和应用
• §1.2 氧化锌纳米材料的结构以及应用
• §1.3 纳米氧化锌的理论研究
• 参考文献
• 第二章 密度泛函理论和经典分子动力学
• §2.1 从头计算方法的基本原理
• §2.2 密度泛函理论
• §2.3 经典分子动力学模拟
• 参考文献
• 第三章 氧化锌团簇的结构和电子特性
• 3.1 团簇构造以及计算方法
• §3.2 不同原子数氧化锌团簇对比
• §3.3 N=12,16,24的稳定构型和电子结构
• 第四章 管状氧化锌团簇
• §4.1 团簇构造以及计算方法
• §4.2 不同几何构成的管状结构的对比
• 参考文献
• 第五章 总结
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与的项目
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表