低維材料的電-力學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算研究.pdf

1、近幾十年來，理論化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)都發(fā)生了巨大的變化。在理論化學(xué)方面，密度泛函理論的提出使得科研工作者們可以對材料力、熱、光、電和聲學(xué)等各個(gè)方面的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬計(jì)算。在計(jì)算機(jī)科學(xué)方面，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)硬件方面的不斷更新和換代，大幅提升了對復(fù)雜體系性質(zhì)的模擬計(jì)算速度。而二者的有效結(jié)合，一方面可以在較短的時(shí)間周期內(nèi)，從理論層面對材料進(jìn)行篩選，分析，進(jìn)而降低新材料、新催化劑等合成和設(shè)計(jì)的成本。另一方面，采用逆向設(shè)計(jì)的方法，借

2、助于高通量計(jì)算平臺(tái)，可以從理論上設(shè)計(jì)具有某種特性的材料，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)依據(jù)。本文的研究貫穿三條主線:a）從一維(1D)體系到二維(2D)體系;b）從實(shí)驗(yàn)體系到理論預(yù)測體系;c）從使用現(xiàn)有全局優(yōu)化算法到設(shè)計(jì)新全局優(yōu)化算法。結(jié)合密度泛函理論，對一些低維材料的電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)以及潛在的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。主要內(nèi)容分為以下6個(gè)部分:
　　第一章主要內(nèi)容涵蓋理論計(jì)算方法的簡介。首先，對第一性原理計(jì)算中最為基礎(chǔ)的Hartree-Fock方法

3、進(jìn)行簡要介紹。在此部分說明了Hatree-Fock方法的優(yōu)點(diǎn)以及自身存在的一些缺陷。然后，著重講解了目前第一性原理計(jì)算中使用最為廣泛的密度泛函理論(DFT)，主要包括Honbeng-Kohn定理，Kohn-Sham方程，交換關(guān)聯(lián)泛函，基組和贗勢這些核心概念，以及密度泛函理論采用不同基組的軟件實(shí)現(xiàn)。其次，本章簡單介紹了全局優(yōu)化算法的基本思想以及目前廣泛使用的軟件包。最后部分，對本文中使用的軟件進(jìn)行了說明。
　　第二章從1D納米體系出

4、發(fā)，對實(shí)驗(yàn)合成的一維碳納米管(CNT)封裝金剛石納米線(CNW)復(fù)合體(CNW@CNT)的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。首先討論不同管徑CNT封裝CNW形成的CNW@CNT的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步分析CNT和CNW之間的相互作用，然后對最穩(wěn)定復(fù)合體CNW@(8，8)-CNT的基本電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以及單軸應(yīng)力對其電子結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探討。在光學(xué)性質(zhì)方面，本章節(jié)闡述了CNW@(8，8)-CNT對于光的吸收特性，以及近自由電子氣(NFE)態(tài)對

5、于內(nèi)部CNW光吸收的影響。對于力學(xué)性質(zhì)的模擬，則采用統(tǒng)一的定義，對比分析了1D納米體系的楊氏模量，同時(shí)提出采用并聯(lián)彈簧模型來關(guān)聯(lián)CNT、CNW以及復(fù)合體CNW@CNT之間的楊氏模量。最后部分，在分析復(fù)合體CNW@CNT的一些電、光和力學(xué)特性之后，提出其在設(shè)計(jì)紫外光探測器等納米器件方面的潛在應(yīng)用。
　　近年來，研究者對于具拉脹效應(yīng)的低維體系的關(guān)注度不斷上升，尤其是具有高負(fù)泊松比(NPR)值的2D材料。鑒于此，第三章將研究重心轉(zhuǎn)移到目

6、前比較熱門的2D磷烯材料上來，以探索可能的具有NPR的磷烯材料。本章節(jié)的工作對理論上提出的磷烯異構(gòu)體δ-磷烯(δ-P)進(jìn)行再次討論。首先，計(jì)算得到的δ-P其力學(xué)參量表明δ-P是一種柔性材料，并且表現(xiàn)出面內(nèi)的強(qiáng)拉脹效應(yīng)。其次，在對其拉脹效應(yīng)的起源進(jìn)行了分析后，本章提出了未來尋找新拉脹材料的潛在思路。最后，我們分析了量子尺寸效應(yīng)對于δ-P力學(xué)性質(zhì)的影響以及δ-P所表現(xiàn)出的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，為δ-P在將來的電子器件方面應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　

7、　第四章則采用粒子群算法(PSO)預(yù)測了新型2D磷烯異構(gòu)體。通過對在此之前報(bào)道的磷烯異構(gòu)體進(jìn)行分析，得以發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)均基于化學(xué)或者物理直覺，而由于人為因素的干擾，這種方法得到的結(jié)構(gòu)存在片面性。為此，我們采用無偏的全局優(yōu)化算法對2D磷烯材料進(jìn)行了全面搜索，進(jìn)而得到了一種新的磷烯異構(gòu)體ψ-磷烯(ψ-P)。本章主要通過對ψ-P幾何結(jié)構(gòu)以及電-力學(xué)的研究，闡述了ψ-P在H2分子過濾膜以及太陽能電池方面的潛在應(yīng)用。為了指導(dǎo)將來的實(shí)驗(yàn)工作，文章還提

8、出了可以被用來外延生長ψ-P單層的襯底。
　　第五章將嘗試運(yùn)用墨魚算法(CF)來預(yù)測2D材料。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)驗(yàn)方面對硼-磷層狀材料的合成進(jìn)行了廣泛研究，但是所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都沒有明確地給出硼-磷層狀材料的結(jié)構(gòu)信息。理論方面的工作則理所當(dāng)然地認(rèn)為硼-磷層狀材料應(yīng)該采用類石墨烯的結(jié)構(gòu)，而這與實(shí)驗(yàn)合成過程中使用高濃度的磷源并不一致。為此，我們設(shè)計(jì)了CF算法來預(yù)測具有高濃度磷的2D硼-磷化合物。通過預(yù)測，得到了一個(gè)具有更低形成能的新相

9、BP5單層。進(jìn)而，對其電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明BP5單層具有多鐵性、負(fù)泊松比、良好的各向異性光吸收以及較高的載流子遷移率。在此章節(jié)最后部分，就BP5單層在設(shè)計(jì)非易失性存儲(chǔ)器件方面應(yīng)用的可能性進(jìn)行探討。
　　第六章則著重討論了墨魚算法在結(jié)構(gòu)預(yù)測中的實(shí)現(xiàn)方法。在前面的工作中，我們使用測試版本的CF算法成功預(yù)測了2D BP5單層，且其結(jié)果得到了的PSO算法的驗(yàn)證，但初始版本的CF算法總體性能較差。因此，本章對CF算法進(jìn)行了