Ni团簇与Ni纳米线的结构和性质研究

论文摘要

2最近,团簇和纳米线的研究得到了广泛的重视。人们对物质的性质是如何从原子到块体材料的转变的越来越浓厚的兴趣和纳米材料的广泛的应用前景（如磁性材料、纳米微器件以及纳米导线等）是这一领域迅猛发展的主要动力。这一领域中,理论研究占有非常重要的地位。其原因主要有三个方面:一是这一领域不断有新的现象被发现;二是团簇和纳米线直接测量的困难;三是得益于计算机和计算技术的迅猛发展。大部分理论研究方法是基于数值模拟而不是基于模型的解析方法。团簇和纳米线的理论研究包含计算团簇和纳米线的几何结构、热力学性质、电子性质、磁矩、光学性质和导电性质等。从计算方法来讲包括第一性原理方法、蒙特卡洛方法和分子动力学方法等。但对所有的计算来说,确定团簇和纳米线的几何结构是计算所无法回避的第一步,所以团簇和纳米线的几何结构在团簇和纳米线的理论研究中具有举足轻重的作用。在实验上,团簇和纳米线所包含的原子数目范围可以从几个到几万个,甚至更大;但在理论研究方面,最精确的第一性原理方法很难严格计算含有几十个原子以上的团簇和纳米线;而利用根据第一性原理和实验的结果拟合出的半经验势和经验势结合一定的研究方法（如分子动力学、推广模拟退火等方法）可以克服以上的困难。首先,我们采用Q-SC势（Quantum Sutton-Chen potential）和最速下降方法,研究了NiN （N=3150）团簇的结构、点群对称性和稳定性。模拟结果表明,Ni团簇的基态结构趋向于多样化,无序化;最稳定构型包括三角形,四面体,六面体,八面体,五角双锥,十面体,二十面体,fcc结构、hcp密堆结构和无序结构等。在此范围之内,除了Ni13, Ni55, Ni147团簇具有幻数特征的最稳定结构具有Ih对称性外,Ni134, Ni135同样具有Ih对称性,但其中的Ni134并非幻数结构。NiN （N=64126）团簇存在着十面体与二十面体的结构竞争。并将Ni团簇的结构与实验结果做了比较,大部分吻合。其次,我们采用Q-SC势（Quantum Sutton-Chen potential）和分子动力学方法研究了NiN （N=50150）团簇的熔化行为和热力学性质。我们发现,Ni团簇的熔化行为因为结构和尺寸等因素的不同而具有表面熔化,直接熔化,玻璃化,固液共存等现象。我们还研究了熔化潜热和熔化熵变与团簇熔点的关系;研究结果表明:熔化潜热相同时,熔化熵变化越大,熔点越低;熔化熵变相同时,熔化潜热越大,熔点越大;即熔化潜热是影响团簇熔点高低的重要因素。另外,我们还利用Sutton-Chen势和Sutton-Chen-eff势研究了多体效应对团簇的热力学性质的影响,研究结果表明:减弱多体相互作用项,会导致Ni团簇的熔点的升高、熔化潜热和熔化熵变的增大,以及基态结合能的降低。最后,我们采用推广模拟退火算法和Sutton-Chen势,研究fcc结构的Ni纳米线沿轴向压缩和拉伸时结构和稳定性能的变化。研究结果表明:沿轴向压缩后得到一系列无定型结构;而随着拉伸强度的不同Ni纳米线分别出现（6,0）型纳米线,（6,3）型纳米线,fcc[110]结构,过渡结构和缺陷结构,以及最终的断裂结构,其中最稳定结构为（6,0）型纳米线。本工作给出了Ni纳米线在压缩和拉伸过程中的一些结构和尺寸的变化范围,为实验研究提供了比较好的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 团簇及其研究概况
• 1.3 纳米线及其研究概况
• 1.4 论文的主要内容和创新之处
• 参考文献
• 第二章 Ni 团簇的结构和稳定性研究
• 2.1 引言
• 2.2 最速下降方法和相互作用势
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章Ni 团簇的熔化行为和热力学性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 分子动力学方法和模拟细节
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Ni 团簇熔化行为研究
• 3.3.2 Ni 团簇结构对熔点和熔化潜热的影响
• 3.3.3 熔化潜热和熔化熵的关系及其对熔点的影响
• 3.3.4 多体效应对团簇的热力学性质的影响
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 轴向压缩和拉伸对 Ni 纳米线的结构和稳定性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 推广模拟退火算法
• 4.3 相互作用势
• 4.4 计算结果与讨论
• 4.5 小结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文