一維和二維納米材料熱力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、隨著器件尺寸的越來越小，低維材料表現(xiàn)出卓越的性能和可觀的應(yīng)用，獲得越來越多的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，溫度對納米材料的性能和應(yīng)用起著非常重要的作用，而現(xiàn)今對很多納米材料的熱力學(xué)性質(zhì)的研究還很不充分。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，第一性原理計(jì)算模擬已經(jīng)成為一種非常有效的科學(xué)研究的方法。因此，在這篇博士論文中，我們基于第一性原理的密度泛函理論，研究了一維和二維納米材料的熱力學(xué)性質(zhì)。研究的熱力學(xué)性質(zhì)包括體系的比熱，熱傳導(dǎo)和熱膨脹現(xiàn)象。
　　

2、在第一章中，我們首先討論了一維和二維納米材料的研究現(xiàn)狀。研究發(fā)現(xiàn)，這些低維納米材料表現(xiàn)出不同于他們體相材料的一些新穎的性質(zhì)，而且很多低維材料通過實(shí)驗(yàn)上的各種方法已經(jīng)制備出來了。優(yōu)越的性能和成熟的實(shí)驗(yàn)技術(shù)充分保障了這些低維材料的應(yīng)用前景。在本章節(jié)的第二部分，我們介紹了現(xiàn)行的研究材料的熱力學(xué)性質(zhì)的一些模擬方法?，F(xiàn)在比較廣泛使用的是分子動力學(xué)模擬，和一些基于聲子色散譜的方法。分子動力學(xué)的步驟，以及計(jì)算聲子色散的方法，包括凍聲子和密度泛函微擾，

3、我們都進(jìn)行了充分的討論。在本章節(jié)的最后部分，我們給出了本文所采用的計(jì)算比熱，熱傳導(dǎo)和熱膨脹系數(shù)的相關(guān)公式。
　　在第二章中，我們介紹了第一性原理密度泛函理論，包括它的起源，基礎(chǔ)理論和公式。對于密度泛函計(jì)算模擬，交換關(guān)聯(lián)泛函決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)今幾種流行的交換關(guān)聯(lián)泛函，我們依次作了闡述。贗勢能夠非常有效的加快計(jì)算速度，已經(jīng)得到了廣泛的使用。常用的贗勢包括模守恒贗勢和超軟贗勢，本章中我們也分別作了簡單的介紹。在本章的最后部分，基于

4、聲子色散譜，我們推導(dǎo)了文中使用的計(jì)算比熱，熱傳導(dǎo)和熱膨脹系數(shù)的公式。
　　在第三章中，我們關(guān)注一維納米材料的熱力學(xué)性質(zhì)，研究了單壁的硼管和氧化鋅管倆種體系。對于單壁的硼管，我們研究了它的比熱和熱膨脹，熱膨脹現(xiàn)象的研究是基于一個熱膨脹各向同性的近似。結(jié)果表明，硼管的熱膨脹系數(shù)依賴于管的手征性和管直徑的大小，小尺寸的管表現(xiàn)出顯著的熱收縮現(xiàn)象。對于單壁的氧化鋅管，我們首次提出了計(jì)算一維體系熱膨脹系數(shù)的一種近似，氧化鋅管熱膨脹系數(shù)的研究就

5、是基于這種近似之上。所有的單壁氧化鋅管，除了(3，3)管，管長隨著溫度的升高而收縮，收縮的幅度和管的力學(xué)強(qiáng)度成反比。(3，3)管在整個研究的溫度范圍內(nèi)都表現(xiàn)出熱膨脹現(xiàn)象，明顯不同于大多數(shù)原子層體系。對于這種反常的原子層體系的熱膨脹現(xiàn)象，我們從氧化鋅管結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，很好的解釋了(3，3)管的熱膨脹現(xiàn)象。
　　在第四章中，我們對二維體系的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了討論。首先，我們研究了由Ⅳ-A族元素，碳，硅，鍺組成的純凈的單層石墨烯，硅烯和鍺烯

6、。對于石墨烯，硅烯和鍺烯這三個單層結(jié)構(gòu)，隨著原子序數(shù)的增加，比熱和熱傳導(dǎo)降低，而熱收縮的幅度加劇。這變化的趨勢是由原子質(zhì)量和半徑?jīng)Q定的。其次，我們考慮了帶點(diǎn)缺陷的石墨烯的熱膨脹現(xiàn)象?？偣惭芯苛怂姆N結(jié)構(gòu)，包括純凈的石墨烯，石墨烯的一個碳原子被硼原子替換掉，一個碳原子被氮原子替換，鄰近的倆個碳原子被一個硼原子和氮原子替換掉，我們依次將它們命名為Graphene，Graphene_B，Graphene_N和Graphene_BN。我們發(fā)現(xiàn)這些

7、點(diǎn)缺陷增強(qiáng)石墨烯的力學(xué)強(qiáng)度，并進(jìn)一步的減弱石墨烯的熱收縮現(xiàn)象。另外，p摻雜比n摻雜更能減弱石墨烯的熱收縮。這種點(diǎn)缺陷減弱石墨烯熱收縮的現(xiàn)象，能夠降低石墨烯和其基底的在變化的溫度中的晶格不匹配性，這將是非常實(shí)用的。再次，我們研究了一種迷人的Ⅱ-Ⅵ族元素的化合物單層氧化鋅的比熱，熱傳導(dǎo)和熱膨脹現(xiàn)象。我們得到相當(dāng)?shù)偷谋葻岷蜔醾鲗?dǎo)，以及顯著的熱收縮，表明單層氧化鋅是一種可以基于變化的溫度為其他原子層薄膜產(chǎn)生應(yīng)變的理想材料。最后，我們研究了一到五