Ni纳米团簇热力学性质和纳米碳管的动力学性质研究

论文摘要

微小尺度问题愈来愈受到研究者的关注,这种问题往往具有与宏观理论不同的规律,需要进行系统深入的研究,以建立与微小尺度系统相应的理论。其中最具有代表性的就是纳米物质。中介尺度纳米团簇大小介于分子和晶体之间,其性质可以认为是随原子数目的增多而逐渐由微观向宏观晶体过渡。了解这一尺度的纳米团簇在热化过程中结构和性质的变化,对于理解纳米材料的微观结构演变过程及制备优质的纳米材料具有重要意义。另外,纳米碳管作为一种新型的纳米材料,其许多独特的性能和诱人的应用前景,使其成为纳米尺寸科学和技术中十分重要的研究对象。纳米碳管具有丰富的孔结构,开口的纳米碳管可以用作纳米级化学试管、虹吸管、储气材料、纳米器件等。因此,研究其它物质注入纳米碳管形成复合物的机制,在揭示物化特性、储氢机理等方面具有特殊的理论意义,并可促进相关的储气材料和纳米器件的开发,其实用价值不可低估。在目前条件下,团簇和纳米碳管的纳米级尺寸、复杂的测试方法及昂贵的测试设备在很大程度上限制了人们实验上对它的了解和研究。因此使用计算机数值模拟方法和简化的物理模型进行模拟,不仅可以辅助实验,而且可以得到一些实验无法测量的结果,并能深入揭示所研究系统的内在行为机制。本论文采用分子动力学模拟方法,主要模拟了Ni团簇的熔化行为和稀有气体注入纳米碳管中的动力学过程,论文主要内容如下:第一章,简单介绍了原子团簇与纳米碳管的基本性能、研究现状以及可能的应用前景。第二章,介绍了分子动力学模拟方法的基本原理,包括物理建模、势能截断、计算短程作用力的方法、时间求积算法和宏观特性的统计控制方法等,并介绍了模拟中所用到的势函数。第三章,我们采用Q-SC势（Quantum Sutton-Chen potential）,模拟了Nin团簇（n=20-150）的熔化行为,分析了其熔化机理,发现其熔化过程不仅与团簇原子数目的密切相关,其基态几何构型也扮演了重要的角色。熔化刚一开始,各种基态的“畸变”导演着整个熔化过程。Ni28在完全熔化之前发生了固-固相变; Ni29经历了玻璃化相变;Ni55在一个相当宽的温度区域表现为固-液共存现象,同时伴随着芯原子的类固态的熔化机制;同时还发现了Nin （n=71, 73, 75）的直接熔化和Ni147附近的表面熔化。另外,还分别将二十面体Ni55和Ni147周围团簇的热容曲线进行比较,发现一些有趣的现象。第四章,采用Lennard-Jones（LJ）势和Kr-C势,模拟了稀有气体原子（He、Ne、Ar、Kr、Xe）注入单壁纳米碳管（SWCNT）的动力学行为,发现稀有气体可以在纳米碳管中作周期性振荡,不过形成稳定性振荡的条件是适当的碳管管径和能量阈值。同时还发现可以通过调节碳管的长度、管径大小和螺旋角来实现振荡器的变频功能。第五章,对所做工作进行总结和展望。

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 纳米碳管及其研究概况
• 1.4 论文的主要内容和创新之处
• 第二章 分子动力学方法
• 2.1 引言
• 2.2 基本原理
• 2.3 分子动力学模拟的实现
• 2.4 原子间相互作用势
• 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 模拟细节
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 稀有气体原子在纳米碳管中的周期性振荡
• 4.1 引言
• 4.2 计算结果与讨论
• 4.2.1 稀有气体在纳米碳管中做周期振荡的条件
• 4.2.2 Ne在纳米碳管中周期振荡的影响因素
• 4.3 小结
• 第五章 论文总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文