Ni團(tuán)簇與Ni納米線的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究.pdf

1、最近，團(tuán)簇和納米線的研究得到了廣泛的重視。人們對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)是如何從原子到塊體材料的轉(zhuǎn)變的越來(lái)越濃厚的興趣和納米材料的廣泛的應(yīng)用前景(如磁性材料、納米微器件以及納米導(dǎo)線等)是這一領(lǐng)域迅猛發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。這一領(lǐng)域中，理論研究占有非常重要的地位。其原因主要有三個(gè)方面：一是這一領(lǐng)域不斷有新的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)；二是團(tuán)簇和納米線直接測(cè)量的困難；三是得益于計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展。 大部分理論研究方法是基于數(shù)值模擬而不是基于模型的解析方法。團(tuán)簇和

2、納米線的理論研究包含計(jì)算團(tuán)簇和納米線的幾何結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)、電子性質(zhì)、磁矩、光學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)等。從計(jì)算方法來(lái)講包括第一性原理方法、蒙特卡洛方法和分子動(dòng)力學(xué)方法等。但對(duì)所有的計(jì)算來(lái)說(shuō)，確定團(tuán)簇和納米線的幾何結(jié)構(gòu)是計(jì)算所無(wú)法回避的第一步，所以團(tuán)簇和納米線的幾何結(jié)構(gòu)在團(tuán)簇和納米線的理論研究中具有舉足輕重的作用。 在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)簇和納米線所包含的原子數(shù)目范圍可以從幾個(gè)到幾萬(wàn)個(gè)，甚至更大；但在理論研究方面，最精確的第一性原理方法很難嚴(yán)格計(jì)

3、算含有幾十個(gè)原子以上的團(tuán)簇和納米線；而利用根據(jù)第一性原理和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果擬合出的半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)勢(shì)結(jié)合一定的研究方法(如分子動(dòng)力學(xué)、推廣模擬退火等方法)可以克服以上的困難。 首先，我們采用Q-SC勢(shì)(Quantum Sutton-Chen potential)和最速下降方法，研究了Ni<,N>(N=3～150)團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、點(diǎn)群對(duì)稱性和穩(wěn)定性。模擬結(jié)果表明，Ni團(tuán)簇的基態(tài)結(jié)構(gòu)趨向于多樣化，無(wú)序化；最穩(wěn)定構(gòu)型包括三角形，四面體，六面體，八

4、面體，五角雙錐，十面體，二十面體，fcc結(jié)構(gòu)、hcp密堆結(jié)構(gòu)和無(wú)序結(jié)構(gòu)等。在此范圍之內(nèi)，除了Ni<,13>，Ni<,55>，Ni<,147>團(tuán)簇具有幻數(shù)特征的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)具有I<,h>對(duì)稱性外，Ni<,134>，Ni<,135>同樣具有Ih對(duì)稱性，但其中的Nil34并非幻數(shù)結(jié)構(gòu)。Ni<,N>(N=64～126)團(tuán)簇存在著十面體與二十面體的結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。并將Ni團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了比較，大部分吻合。其次，我們采用Q-SC勢(shì)(Quantum

5、Sutton-Chen potential)和分子動(dòng)力學(xué)方法研究了Ni<,N>(N=50～150)團(tuán)簇的熔化行為和熱力學(xué)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)，Ni團(tuán)簇的熔化行為因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和尺寸等因素的不同而具有表面熔化，直接熔化，玻璃化，固液共存等現(xiàn)象。我們還研究了熔化潛熱和熔化熵變與團(tuán)簇熔點(diǎn)的關(guān)系；研究結(jié)果表明：熔化潛熱相同時(shí)，熔化熵變化越大，熔點(diǎn)越低；熔化熵變相同時(shí)，熔化潛熱越大，熔點(diǎn)越大；即熔化潛熱是影響團(tuán)簇熔點(diǎn)高低的重要因素。另外，我們還利用Sutto

6、n-Chen勢(shì)和Suaon-Chen-eft勢(shì)研究了多體效應(yīng)對(duì)團(tuán)簇的熱力學(xué)性質(zhì)的影響，研究結(jié)果表明：減弱多體相互作用項(xiàng)，會(huì)導(dǎo)致Ni團(tuán)簇的熔點(diǎn)的升高、熔化潛熱和熔化熵變的增大，以及基態(tài)結(jié)合能的降低。 最后，我們采用推廣模擬退火算法和Sutton-Chen勢(shì)，研究fcc結(jié)構(gòu)的Ni納米線沿軸向壓縮和拉伸時(shí)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性能的變化。研究結(jié)果表明：沿軸向壓縮后得到一系列無(wú)定型結(jié)構(gòu)；而隨著拉伸強(qiáng)度的不同Ni納米線分別出現(xiàn)(6,0)型納米線，(6