一維二氧化硅納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì).pdf

1、作為一門新興交叉學(xué)科，納米科技對物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)和電子學(xué)等領(lǐng)域正在產(chǎn)生具有深遠(yuǎn)意義的影響。納米材料的重要性取決于一個基本事實，即在納米尺度范圍內(nèi)，許多材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，隨材料尺寸減小而發(fā)生顯著變化。SiO2是玻璃、催化劑以及以硅為主的微電子器件和光纖的重要組成部分，在電子和光學(xué)器件上有著基本和潛在的應(yīng)用，已逐漸成為一維納米材料重要的候選者。由于SiO2納米管和納米線在電子、光學(xué)方面的重要性，近年來在科學(xué)界引起廣泛的關(guān)注。

2、SiO2納米管或納米線可通過多種方法合成，如激光燒蝕、溶膠凝膠、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、氣-液-固法(VLS)等。本文運用密度泛函理論中的B3LYP方法在6-31G(d)基組水平上對不同截面、不同長度的SiO2納米管和納米線進行計算，研究工作主要包括以下幾個方面： (一)SiO2納米管的穩(wěn)定性及尺寸效應(yīng)對無水(SiO2-NTs)和水合(SiO2-WNTs)的SiO2納米管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計算，研究了與尺寸有關(guān)的平均結(jié)合能、電

3、子結(jié)構(gòu)和紅外光譜。SiO2-WNTs中發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米管的層數(shù)或長度相同時平均結(jié)合能相等。SiO2-WNTs比SiO2-NTs和二元環(huán)直鏈結(jié)構(gòu)都要穩(wěn)定。兩種管狀結(jié)構(gòu)最高占據(jù)軌道HOMO處主要為結(jié)構(gòu)中氧原子的貢獻，最低未占據(jù)軌道LUMO處主要是硅原子的貢獻。對截面為三元環(huán)和四元環(huán)的納米管紅外光譜的分析，發(fā)現(xiàn)振動峰值與實驗值相吻合且切向和徑向振動顯示較強的尺寸效應(yīng)。徑向的振動頻率向高頻移動，而切向的振動頻率則向低頻移動，也就是納米體系中的尺寸效應(yīng)

4、和各向異性。 (二)有限長SiO2納米線的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究運用密度泛函理論，在6-31G(d)基組水平上，對二元環(huán)組成的SiO2單鏈和雙鏈納米線進行幾何優(yōu)化和頻率計算，分析了它們的平均結(jié)合能、電子結(jié)構(gòu)、紅外和拉曼光譜。平均結(jié)合能隨著n的增加單調(diào)變化，并趨于收斂。各種結(jié)構(gòu)的能隙中存在明顯的尺寸效應(yīng)。徑向和切向的紅外振動頻率和強度均隨著n的增加單調(diào)變化，且徑向的振動頻率出現(xiàn)紅移，而切向的振動頻率則發(fā)生藍移。Raman光譜中同樣存在尺寸

5、效應(yīng)和各向異性現(xiàn)象。無論是它們的結(jié)合能、電子結(jié)構(gòu)還是振動頻率，隨著n的增大，都趨于收斂。這表明當(dāng)n較大時，SiO2納米線性質(zhì)的穩(wěn)定性。 (三)(SiO2)nO2H4的紅外振動光譜的理論研究運用密度泛函理論，在6-31G(d)基組水平上，計算了納米尺度的(SiO2)nO2H4鏈狀、環(huán)狀、籠狀三種不同構(gòu)型的紅外振動光譜。對準(zhǔn)一維的鏈狀和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，紅外振動較強峰的頻率隨著長度的增加單調(diào)變化，顯示了較強的尺寸依賴性；沿納米線(環(huán))軸向和