一些二維納米材料結構和性質的理論研究.pdf

1、材料對于人類社會至關重要，而人類社會紀元的劃分就是依據(jù)新材料的發(fā)現(xiàn)而命名的，比如:石器時代、青銅時代、鐵器時代等。作為一類新型納米材料，單層二維納米材料表現(xiàn)出獨特的力學、光學、磁學等性質，具有重大的應用潛力。近年來，由于量子力學相關理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，使第一性原理計算成為研究納米材料強有力的工具。本論文主要采用密度泛函來研究單層二維納米材料的幾何結構、電子性質、光學性質，以及室溫龐氧離子電導率等，全文安排如下:
　　第一章簡

2、要介紹了在能源環(huán)境危機背景下快速發(fā)展的能源技術，如固體氧化物燃料電池技術和光解水制氫技術。在此基礎上，介紹了一些在能源材料中廣泛應用的一些單層二維納米材料。
　　第二章簡要介紹了量子材料科學的發(fā)展歷史、密度泛函理論、過渡態(tài)搜索理論以及蒙特卡洛模擬方法，并給出在本論文研究中使用的軟件包簡介。
　　第三章采用第一性原理計算，從理論上提出了一種新型的單層石墨烯片的制備方法:通過氧化還原手段，沿碳納米管軸向打開管壁，制備得到邊緣平整

3、、帶寬可控的高質量單層石墨烯片。研究發(fā)現(xiàn)，氧原子更傾向于在碳納米管邊緣吸附形成環(huán)氧基，而不能直接形成“環(huán)氧基對”。進一步氧化中，碳納米管邊緣C-C共價鍵斷開的勢壘為0.74 eV。隨后，在鄰位“羰基對”的應力作用下，碳納米管上C-C鍵的斷裂勢壘大幅度下降了84％，僅為0.12 eV。該機理有效降低了從碳納米管到單層石墨烯片的化學反應勢壘，有利于實驗中獲得邊緣平整、帶寬可控的單層石墨烯片。
　　第四章研究了鈀(Pd)和鉑(Pt)金屬

4、在單層石墨烯表面不同的生長機制。實驗中發(fā)現(xiàn)，鈀金屬可以在石墨烯表面生長，而鉑金屬卻不能。第一性原理計算表明，鈀和鉑在單層石墨烯表面具有不同的吸附趨勢:在石墨烯表面，鈀金屬的dz2軌道電子以石墨烯中π電子為中介，將電子轉移至鈀金屬的dxz+dvz軌道，同時石墨烯中π電子基本保持不變。這種電荷轉移機制增強了鈀金屬與石墨烯襯底之間的相互作用，是鈀在石墨烯表面生長的主要原因。反之，鉑金屬不存在這種電荷轉移機制，而且鉑原子容易發(fā)生自發(fā)團聚，因此鉑

5、金屬很難在石墨烯表面形成有效金屬鍍層。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，鈀金屬在氮摻雜石墨烯N-PG和C3N4單層二維納米材料表面也有類似的生長機制。
　　第五章分別討論了用苯環(huán)基官能團(-Ph)和烷基官能團(-CnH2n+1)修飾對單層二維硅納米片的穩(wěn)定化作用。幾何結構分析表明，在Si6H(6-n)Phn和Si8H4(CnH2n+1)4的最穩(wěn)定結構中，修飾有機官能團均勻分布在二維硅納米片上下表面，基團分布主要受到靜電排斥作用的影響。電子結構分析

6、發(fā)現(xiàn)，有機官能團修飾對二維硅納米片電子結構的影響有限。其中，對Si8H4(CnH2n+1)4而言，材料能隙對修飾的烷基鏈長度n不敏感，卻對外部應力十分敏感。另外，基于第一性原理（First-principles moleculardynamics，F(xiàn)PMD）和基于力場（Force-field molecular dynamics，F(xiàn)FMD）的分子動力學計算結果都顯示，用-Ph和-CnH2n+1官能團修飾的單層硅二維納米片在1000K溫度

7、下具有良好的熱力學穩(wěn)定性。
　　第六章研究了三明治結構中晶格失配應變與二維納米薄膜室溫龐氧離子電導現(xiàn)象之間的關系。對KTaO3/YSZ/KTaO3三明治結構而言，9.7％的晶格失配應變改變了YSZ薄膜中氧離子的分布，使氧離子遷移路徑從原先的直線型轉變?yōu)檎劬€型，同時氧離子的躍遷勢壘降低了0.2 eV。過渡態(tài)搜索理論計算表明，由于結構應變的存在，YSZ薄膜中存在氧離子高速躍遷通道。FPMD計算表明，9.7％晶格失配應變下YSZ薄膜中氧

8、離子躍遷勢壘為0.33 eV。與體相氧化鋯相比，其氧離子電導率在500K溫度下提高了8個數(shù)量級。研究還發(fā)現(xiàn)，YSZ薄膜中氧離子躍遷勢壘高度與晶格失配度之間呈近似線性關系。
　　第七章研究了硼氮雜化多孔石墨烯單層二維納米材料(BN-PG)在可見光區(qū)域的光電轉換效率增強。研究發(fā)現(xiàn)，與多孔石墨烯(PG)3.2 eV的帶隙相比，硼氮摻雜使BN-PG材料的光吸收峰發(fā)生紅移現(xiàn)象，其帶隙減小為2.7 eV，進入可見光區(qū)域。該現(xiàn)象可以歸因于BN-