两种ZnO基化合物纳米结构研究

论文摘要

纳米材料由于独特的性质和潜在的应用,成为目前研究的热点。当尺度接近玻尔半径时,纳米材料产生许多不同于体材料的特殊性能,如分立能级、表面重构等。本文从ZnO基化合物纳米结构出发,运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,主要对ZnO纳米团簇和Zn2SiO4纳米线的几何结构和电子性质进行分析。基于最稳定的六角纤锌矿结构ZnO,构造了不同尺度的ZnmOn纳米团簇模型。通过改变Zn4O4模型真空层的厚薄,了解到团簇间相互作用对团簇稳定性的影响。弛豫后的ZnmOn纳米团簇表面上下不同类原子间成键重构,形变成较圆滑形状,而左右同类原子的相互排斥使原有的三度对称轴得以保持。其中,化学计量比非平衡团簇的外围,多余Zn原子趋于游离状,且有较多悬挂键,易与周围物质发生反应。在弛豫过程中,部分内层O原子移动到表层,而部分Zn原子则从表层往内移动,并且O-O间距离大于Zn-Zn间距离,表明了离子间的库仑作用力是影响团簇结构的重要因素,其中O离子间的库仑排斥大于Zn离子间的相互作用。轨道杂化效应是团簇重构的另一重要因素,它使表面的O离子易与周围Zn离子形成sp3的四面体成键,形成锥体形状;而表面的Zn离子则易与周围O离子形成sp2的平面结构。通过比较不同尺度团簇Zn-O键长的变化,了解了稳定结构的Zn-O平均键长随纳米尺度增大而伸长并逐渐接近于体材料的现象,阐明了纳米团簇尺度越小成键的离子性更强的规律,并可通过改变化学计量比,增加过剩原子与其周围同类原子间的库仑排斥,增大Zn-O平均键长来控制和调整。通过结合能的计算和分析,了解了团簇越大其结构越稳定,化学计量比平衡团簇的稳定性强于同尺度的化学计量比非平衡的结构。另一方面,运用气相沉积法制备了六角晶格结构Zn2SiO4纳米线。在14K温度下的CL谱中,观测到在位于470 nm、675 nm和290 nm处出现了强度依次减弱的发光峰。为了了解Zn2SiO4纳米线电子跃迁性质,采用第一性原理方法重点研究了具有表面的Zn2SiO4几何和电子结构性质。通过建立六角结构Zn2SiO4的表面结构超原胞模型,并进行模拟计算发现,相对于体材料的结构,弛豫后表面发生重构,失去了原有的对称性。能带计算表明,Zn2SiO4表面仍为直接带隙,禁带宽度为2.55eV,远小于体材料的2.89eV。分析认为,Zn2SiO4纳米线CL谱中紫外波段的发光应该来自于Zn2SiO4纳米线远离表面的内部原子的电子带隙跃迁;蓝绿色发光带可能与Zn2SiO4表面态的电子跃迁有关。比较分析价带项和导带底的态密度,我们推测Zn2SiO4纳米线CL谱中蓝绿色的发光很可能主要来自导带底Zn原子的s态电子与价带顶Si原子的p态电子之间的能级跃迁,其次为导带底Si原子的s态电子与价带顶Zn原子的d态电子间的能级跃迁。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料的性质特点
• 1.2 纳米ZnO研究进展
• 1.2.1 纳米ZnO制备方法
• 1.2.2 纳米ZnO理论研究
• 2SiO₄研究进展'>1.3 纳米Zn₂SiO₄研究进展
• 2SiO₄'>1.3.1 纳米Zn₂SiO₄
• 2SiO₄制备方法'>1.3.2 纳米Zn₂SiO₄制备方法
• 参考文献
• 第二章 第一性原理的理论基础和计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.2 Kohn-Sham方程
• 2.2 第一性原理计算方法
• 2.2.1 平面波基矢展开
• 2.2.2 赝势
• 2.2.3 结构优化
• 2.3 VASP软件包
• 参考文献
• 第三章 ZnO化合物纳米团簇的结构性质
• 3.1 引言
• mO_n化合物纳米团簇性质预测'>3.2 不同尺度Zn_mO_n化合物纳米团簇性质预测
• mO_n纳米团簇结构设计'>3.2.1 不同尺度Zn_mO_n纳米团簇结构设计
• mO_n纳米团簇结构特征'>3.2.2 不同尺度Zn_mO_n纳米团簇结构特征
• 3.3 小结
• 参考文献
• 2SiO₄化合物纳米线的性质研究'>第四章 Zn₂SiO₄化合物纳米线的性质研究
• 4.1 引言
• 2SiO₄纳米线'>4.2 气相沉积法生长Zn₂SiO₄纳米线
• 2SiO₄表面几何和电子结构'>4.3 Zn₂SiO₄表面几何和电子结构
• 2SiO₄表面超原胞模型'>4.3.1 Zn₂SiO₄表面超原胞模型
• 2SiO₄表面电子结构性质'>4.3.2 Zn₂SiO₄表面电子结构性质
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 本人硕士期间发表的论文
• 致谢