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一维二氧化硅纳米材料的结构和性质

2020-11-23阅读(747)

一维二氧化硅纳米材料的结构和性质

论文摘要

作为一门新兴交叉学科,纳米科技对物理学、化学、生物学、材料学和电子学等领域正在产生具有深远意义的影响。纳米材料的重要性取决于一个基本事实,即在纳米尺度范围内,许多材料的物理和化学性质,随材料尺寸减小而发生显著变化。SiO2是玻璃、催化剂以及以硅为主的微电子器件和光纤的重要组成部分,在电子和光学器件上有着基本和潜在的应用,已逐渐成为一维纳米材料重要的候选者。由于SiO2纳米管和纳米线在电子、光学方面的重要性,近年来在科学界引起广泛的关注。SiO2纳米管或纳米线可通过多种方法合成,如激光烧蚀、溶胶凝胶、化学气相沉积法（CVD）、气-液-固法（VLS）等。本文运用密度泛函理论中的B3LYP方法在6-31G（d）基组水平上对不同截面、不同长度的SiO2纳米管和纳米线进行计算,研究工作主要包括以下几个方面: （一） SiO2纳米管的稳定性及尺寸效应 对无水（SiO2-NTs）和水合（SiO2-WNTs）的SiO2纳米管进行结构优化和频率计算,研究了与尺寸有关的平均结合能、电子结构和红外光谱。SiO2-WNTs中发现当纳米管的层数或长度相同时平均结合能相等。SiO2-WNTs比SiO2-NTs和二元环直链结构都要稳定。两种管状结构最高占据轨道HOMO处主要为结构中氧原子的贡献,最低未占据轨道LUMO处主要是硅原子的贡献。对截面为三元环和四元环的纳米管红外光谱的分析,发现振动峰值与实验值相吻合且切向和径向振动显示较强的尺寸效应。径向的振动频率向高频移动,而切向的振动频率则向低频移动,也就是纳米体系中的尺寸效应和各向异性。 （二） 有限长SiO2纳米线的结构和性质研究 运用密度泛函理论,在6-31G（d）基组水平上,对二元环组成的SiO2单链和双链纳米线进行几何优化和频率计算,分析了它们的平均结合能、电子结构、红外和拉曼光谱。平均结合能随着n的增加单调变化,并趋于收敛。各种结构的能隙中存在明显的尺寸效应。径向和切向的红外振动频率和强度均随着n的增加单调变化,且径向的振动频率出现红移,而切向的振动频率则发生蓝移。Raman

论文目录

  • 第一章 绪论
  • 1-1.前言
  • 1-2.纳米材料的效应
  • 1-2-1.表面效应
  • 1-2-2.小尺寸效应
  • 1-2-3.量子尺寸效应
  • 1-2-4.宏观量子隧道效应
  • 1-2-5.介电限域效应
  • 1-3.红外光谱和拉曼光谱的应用
  • 1-3-1.红外光谱
  • 1-3-1-1.历史回顾
  • 1-3-1-2.基本原理
  • 1-3-1-3.红外光谱图的表示方法
  • 1-3-1-4.红外光谱的产生
  • 1-3-1-5.红外光谱区域划分
  • 1-3-1-6.分子振动方程式
  • 1-3-1-7.峰位、峰数与峰强
  • 1-3-1-8.影响峰位变化的因素
  • 1-3-2.拉曼光谱
  • 1-3-2-1.拉曼效应
  • 1-3-2-2.激发源及发展
  • 1-3-2-3.拉曼光谱与分子极化率的关系
  • 1-3-2-4.退偏比（ρ）
  • 1-3-2-5.基团特征振动频率的特点
  • 1-3-3.拉曼光谱与红外光谱的关系
  • 1-4.纳米管和纳米线的特性及研究进展概括
  • 2纳米管和纳米线的特性及研究现状'>1-5.SiO2纳米管和纳米线的特性及研究现状
  • 1-6.课题研究的出发点以及研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 理论背景及其计算方法
  • 2-1.计算方法
  • 2-2.电子结构理论
  • 2-2-1.半经验方法简介
  • 2-2-2.从头算方法
  • 2-2-3.密度泛函理论（DFT）
  • 2-2-3-1.密度泛函理论的提出
  • 2-2-3-2.密度泛函方法中的能量表达式
  • 2-2-3-3.密度泛函理论方法中的函数
  • 2-3.单点能计算
  • 2-4.分子轨道和轨道能级
  • 2-5.几何优化
  • 2-5-1.势能面
  • 2-5-2.难处理的优化
  • 2-5-3.收敛标准
  • 2-6.频率计算 FREQ
  • 2-6-1.频率分析输入
  • 2-6-2.矫正因子和零点能
  • 2-6-3.简正模式
  • 2-6-4.零点能（Zero Point Energy）和内能
  • 2-6-5.极化率和超极化率
  • 2-6-6.表征稳定点
  • 2-7.基组的影响
  • 2-8.态密度（Density of State）
  • 2-8-1.分子轨道分解分析
  • 2-8-2.TDOS、PDOS和 OPDOS
  • 2-9.从头算法和密度泛函的应用
  • 2-9-1.体系总能量的计算
  • 2-9-2.平衡几何构型的计算
  • 2-9-3.振动频率分析
  • 2-9-4. Mulliken集居数分析
  • 2-10.计算软件Gaussian03的介绍
  • 参考文献
  • 2纳米管的稳定性及尺寸效应'>第三章 SiO2纳米管的稳定性及尺寸效应
  • 3-1.引言
  • 3-2.计算方法介绍
  • 3-3.几何构型
  • 3-3-1.优化后的几何结构图
  • 2-WNTs的键长建角'>3-3-2.SiO2-WNTs的键长建角
  • 3-4.计算结果与讨论
  • 2纳米管的平均结合能'>3-4-1.SiO2纳米管的平均结合能
  • 2纳米管的电子结构'>3-4-2.SiO2纳米管的电子结构
  • 3-4-2-1.能隙（HOMO-LUMO）
  • 3-4-2-2.态密度（TDOS和 PDOS）
  • 3-4-2-3.轨道图
  • 2纳米管红外光谱分析'>3-4-3.SiO2纳米管红外光谱分析
  • 3-5.结论
  • 参考文献
  • 2纳米线的结构和性质研究'>第四章 有限长SiO2纳米线的结构和性质研究
  • 4-1.引言
  • 4-2.计算方法介绍
  • 4-3.几何结构
  • 4-4.结果与讨论
  • 4-4-1.平均结合能
  • 4-4-2.能隙
  • 4-4-3.红外光谱
  • 4-4-3-1.1NL中硅原子数为奇数和偶数红外光谱的比较
  • 4-4-3-2.四种链状结构红外振动的分析
  • 4-4-4. Raman光谱
  • 4-4-4-1. INL的Raman光谱
  • 4-4-4-2.双链结构的Raman光谱
  • 4-4-4-3.退偏比（ρ）
  • 4-4-4-4.极化率（polarizability）
  • 4-5.结论
  • 参考文献
  • 2）nO2H4的红外振动光谱的理论研究'>第五章 （SiO2）nO2H4的红外振动光谱的理论研究
  • 5-1.引言
  • 5-2.几何结构和计算方法
  • 5-3.振动光谱分析
  • 5-3-1.链状结构
  • 5-3-2.环状结构
  • 5-3-3.笼状结构
  • 5-4.结论
  • 参考文献
  • 第六章 结论
  • 致谢

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