硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质.结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS的光学吸收峰出现明显的蓝移.本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.     

表面氧钝化碳化硅纳米团簇电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA),对氧钝化条件下4H-SiC纳米团簇的电子结构和光学性质进行了研究。计算了不同直径的4H-SiC纳米球氧钝化后的能带结构、电子态密度和光学性质。团簇的尺度在0.4~0.9 nm之间,构建表面仅存在硅氧双键和表面仅存在碳氧双键的两种模型。研究表明硅氧双键和碳氧双键所引起的缺陷态位于原4H-SiC的价带和导带之间,并且缺陷态与价带顶的能量差随纳米团簇颗粒直径的增大而减小;缺陷态主要是由Si原子外层电子和氧原子外层电子轨道杂化引起的。同时,由于氧的存在,对碳化硅的结构产生一定的影响,这也是缺陷态形成的一个原因。另外,碳氧双键和硅氧双键钝化对4H-SiC纳米团簇的光学性质有着不同的影响。在表面仅存在C=O的情况下,4H-SiC纳米团簇表现出各向同性的性质。在表面仅存在Si=O的情况下,4H-SiC纳米团簇表现出各向异性的性质。     

Agn(n=2～10)团簇的几何结构和电子特性

应用密度泛函理论中B3LYP/LANL2DZ 方法优化计算并分析了Agn(n=2～10)团簇的基态几何结构及电子性质.同时计算和讨论了银团簇的原子化能、能级分布、能级间隙、电子亲和能和电离势,所得理论计算值与实验值符合较好.研究结果表明:银小团簇的结构不同于块体,且随团簇尺寸大小而相应变化,原子化能和电子亲和势随原子尺寸的增加而增加,团簇的费米能级、电子亲和势和电离势随团簇大小变化具有明显的奇偶振荡特性,并对此作了分析.团簇的电子性质和几何结构之间的密切关系及其随团簇尺寸大小变化的规律,可以从理论上确定团簇的最稳定结构,并可对实验观测结果做出解释.     

CoFe2O4纳米颗粒的结构、磁性以及离子迁移

聚乙烯醇(PVA)溶胶凝胶法制备出CoFe2O4纳米微粉,用X 射线衍射研究了铁氧体纳米颗粒的结构.测量了CoFe2O4纳米颗粒80-873 K的变温穆斯堡尔谱,发现纳米颗粒的磁转变温度范围为793-813 K,比块体材料的磁性转变温度要低.CoFe2O4纳米颗粒的德拜温度θA=674 K,θB=243 K,比块体材料要小.CoFe2O4纳米颗粒超精细场Hf随温度的变化符合T3/2+T5/2定理.当温度较高时,平均同质异能移IS随温度的升高而减小,并呈线性关系.     

纳米NiAl-Ni和Ni3Al-Ni合金的低温电阻特性

为了深入理解纳米Al-Ni合金低温下的电子输运过程，使用自主研发的电磁感应加热-自悬浮定向流法制备出Al，Ni和Al-Ni纳米合金粉末，并采用真空热压设备将纳米粉末压制成纳米晶块体，利用自主搭建的低温热电测量系统研究了Al-Ni纳米合金的电阻率随温度(8~300 K)的变化规律。研究结果表明:Al-Ni纳米合金由于形成有序晶相而仍然与Al，Ni纳米晶一样，电阻率随温度的降低而降低。纳米Ni₃Al-Ni和NiAl-Ni在居里温度点附近出现了电阻率随温度变化的极大值点，因为单质Ni的影响，Ni₃Al-Ni的居里温度比粗晶Ni₃Al提高了20 K。由于磁子-电子散射作用和声子-电子散射作用，纳米Ni₃Al-Ni，NiAl-Ni和Ni的电阻率在低温下(8~40 K)与温度呈T2和T4关系。     

BaHfO3纳米薄膜电子结构、光学和弹性性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在局域密度近似（LDA）下研究了厚度为0.626～2.711nm (100)面BaHfO3薄膜的电子结构、光学和弹性性质．电子结构和光学性质计算结果表明：以BaO为表面层原子的BaHfO3纳米薄膜均为直接带隙半导体材料,带隙随薄膜厚度减小而逐渐减小,表现出明显的量子尺寸效应,此时薄膜的光学吸收边发生红移,吸收带出现窄化现象．以HfO2作为表面层原子的BaHfO3薄膜则属于间接带隙半导体材料,且带隙随薄膜厚度减小而微弱增加．弹性性质计算结果表明：体弹模量、剪切模量和杨氏模量等表征材料硬度的力学参数均随BaHfO3纳米薄膜厚度减小而显著减小,呈现尺寸效应．电荷密度分布分析揭示了薄膜厚度改变了BaHfO3纳米薄膜的价健特性,这是材料硬度改变的内在原因．该研究结果为BaHfO3纳米薄膜材料的设计与应用提供了理论依据．     

B2-NiAl纳米薄膜厚度对其弹性性能影响的模拟研究

本文应用分子动力学(MD)技术和改进分析型嵌入原子模型(MAEAM)研究B2-NiAl纳米薄膜有关弹性性能的尺寸效应和表面效应. 首先计算块体B2-NiAl合金的弹性性能和该类薄膜的厚度尺寸对其表面能的影响, 发现块体B2-NiAl薄膜的弹性性能与已有的实验和理论计算结果接近, 而薄膜表面能仅与表面原子组分有关, 基本不受其厚度尺寸的影响. 在此基础上, 重点研究了纳米薄膜的弹性性能随其厚度尺寸变化关系, 发现所有纳米薄膜弹性性能都随其尺寸增加而呈指数变化, 并受表面原子组分调控. 并进一步分析尺寸影响纳米薄膜弹性性能的内在机理, 发现纳米薄膜的晶面间距偏离和表面是影响其弹性性能随尺寸变化的主要因素, 并与以前实验和理论研究结果相符合.     

Ar+离子束轰击在石墨表面形成六方金刚石纳米晶的研究

在0.6keV Ar⁺高剂量(～10²²/cm²)辐照石墨表面,借助于高分辨透射电子显微镜(HRTEM),发现有六方金刚石纳米晶产生.它们的平均直径介于1—50nm之间,而且晶粒个数约随其直径的增大而直线减少.有趣的是,晶粒具有两种结构模式：直径小于10nm的晶粒为单晶结构,而直径大于10nm的为多晶结构.基于受离子轰击过程特点制约的六方金刚石晶粒成核和成长观点,讨论了这种双重结构的形成性质. 关键词： 离子轰击 六方金刚石纳米晶     

Ar+离子束轰击在石墨表面形成六方金刚石纳米晶的研究

在0.6!keV Ar+高剂量(～1022/cm2)辐照石墨表面,借助于高分辨透射电子显微镜(HRTEM),发现有六方金刚石纳米晶产生.它们的平均直径介于1-50!nm之间,而且晶粒个数约随其直径的增大而直线减少.有趣的是,晶粒具有两种结构模式:直径小于10!nm的晶粒为单晶结构,而直径大于10!nm的为多晶结构.基于受离子轰击过程特点制约的六方金刚石晶粒成核和成长观点,讨论了这种双重结构的形成性质.     

双空位缺陷石墨纳米带的电子结构和输运性质研究

基于第一原理电子结构和输运性质计算,研究了585双空位拓扑缺陷对锯齿（zigzag）型石墨纳米带（具有椅型（armchair）边）电子结构和输运性质的影响.研究发现,585双空位缺陷的存在使得锯齿型石墨纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域于缺陷处的缺陷态能带,双空位缺陷的取向也影响其能带结构.另外,585双空位缺陷对能隙较小的锯齿型石墨纳米带输运性质的影响较大,而对能隙较大的锯齿型石墨纳米带影响很小,缺陷取向并不显著影响纳米带的输运性质. 关键词： 石墨纳米带 585空位缺陷 电子结构 输运性质     

Novel structures and properties of gold nanowires

The structures of free-standing gold nanowires are studied by using molecular-dynamics-based genetic algorithm simulations. Helical and multiwalled cylindrical structures are found for the thinner nanowires, while bulk-like fcc structures eventually form in the thicker nanowires up to 3 nm in diameter. This noncrystalline-crystalline transition starts from the core region of nanowires. The vibrational, electronic, and transport properties of nanowires are investigated based on the optimal structures. Bulklike behaviors are found for the vibrational and electronic properties of the nanowires with fcc crystalline structure. The conductance of nanowires generally increases with wire diameter and depends on the wire structure.     

Dimensionally,morphologically, and thermally induced phase transformations in boron-nitrogen nanowires

Structural, thermal, electronic, and energetic properties of cubic boron nitride (BN) nanowires are studied using the density-functional tight-binding method. The effect of the total or partial rearrangement of the cubic structure of nanowires into the hexagonal one depending on the size, morphology, and thermal treatment of the starting wire has been revealed. As distinct from the known homogeneous carbon diamond-like nanowires, stable BN nanowires are two-phase systems whose “shell” has a hexagonal structure and “core” has a cubic structure. The changes in the electronic properties of BN nanowires induced by their structural transformations are discussed. It is shown that boron-nitrogen nanowires can exhibit both semiconducting and metallic properties.     

Magnetic characteristics of Au–Mn nanowires

The quantum properties of Au–Mn nanowires are analyzed theoretically from first principles. The emergence of magnetic properties in these nanowires, consisting of nonmagnetic elements, is demonstrated. It is shown that the manganese atoms carry fairly large magnetic moments (～4.3 μ_B), although crystalline Mn is a paramagnet. Analysis of the electronic structure of these bimetallic nanowires indicates that the magnetic moments at the Mn atoms arise owing to the formation of a complicated structure of hybrid orbitals. Furthermore, it is found that the antiferromagnetic state in Au–Mn nanowires is stabilized by the occurrence of indirect exchange interaction between Mn atoms.     

多壳层铜纳米线结构和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了多壳层Cu纳米线的稳定结构和电子特性.得到不同线径多壳层Cu纳米线的平衡态晶格常数相差不大,都表现出金属特性,且其单原子平均结合能和量子电导随着纳米线直径的增加而增加.纳米线中内壳层Cu原子表现出体相结构Cu原子相似的电子特性,而表面壳层由于配位数的减少,其3d态能量范围变窄且整体向费米能级发生移动.电荷密度分析表明,相对于体相Cu晶体中原子间的相互作用,纳米线表面壳层Cu原子与其最近邻原子间的相互作用明显增强.     

表面钝化效应对GaAs纳米线电子结构性质影响的第一性原理研究

纳米线表面存在大量的表面态,它们能够引起电子分布在纳米线表面,使得纳米线的电学性质对表面条件变得更加敏感,严重地制约器件的性能.表面钝化能够有效地移除纳米线的表面态,进而能够有效地优化器件的性能.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了表面钝化效应对GaAs纳米线电子结构性质的影响.考虑了不同的钝化材料,包括氢元素、氟元素、氯元素和溴元素.研究结果表明:具有小尺寸的GaAs裸纳米线的能带结构呈间接带隙特征,表面经过完全钝化后,转变为直接带隙特征;GaAs纳米线表面经过氢元素不同位置和不同比例钝化后,展示出不同的电学性质;表面钝化的物理机理是钝化原子与纳米线表面原子通过电荷补偿移除纳米线表面的电子态;与氢元素钝化相比,GaAs纳米线表面经过氟元素、氯元素和溴元素钝化后,带隙宽度较小,原因是氟元素、氯元素和溴元素在钝化过程中具有较小的电荷补偿能力,不能完全移除表面态.     

β-碳化硅/碳纳米管核壳结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了β-碳化硅/(15, 0) 碳纳米管和β-碳化硅/(16, 0)碳纳米管核壳结构的电子结构特性. 结果表明, 两种核壳异质结构都呈现出金属性, 它们的金属性主要是由碳纳米管和碳化硅纳米线表面的原子所贡献的. 碳化硅纳米线表面呈现的金属性由其结构本身决定, 而对于金属性的 (15, 0) 和半导体性的 (16, 0) 碳纳米管在填充碳化硅纳米线之后都表现出金属性, 主要是由于碳纳米管和碳化硅纳米线之间的电荷转移导致的, 而并不是由于碳纳米管形变造成的. 关键词： 核壳结构 电子结构 第一性原理     

Unique structural and transport properties of molybdenum chalcohalide nanowires

We combine ab initio density functional and quantum transport calculations based on the nonequilibrium Green's function formalism to compare structural, electronic, and transport properties of Mo6S6-xIx nanowires with carbon nanotubes. We find systems with x=2 to be particularly stable and rigid, with their electronic structure and conductance close to that of metallic (13,13) single-wall carbon nanotubes. Mo6S6-xIx nanowires are conductive irrespective of their structure, more easily separable than carbon nanotubes, and capable of forming ideal contacts to Au leads through thio groups.     

氧化锌/硫化锌异质纳米线结构和电子性质比较研究

用第一性原理方法系统研究氧化锌/硫化锌超晶格纳米线和核壳结构纳米线的结构和电子性质.结构优化后,氧化锌/硫化锌异质结构纳米线和纯氧化锌或硫化锌纳米线结构相似.对于两种异质结构纳米线,能带结构显示他们都是直接带隙半导体.对于氧化锌/硫化锌超晶格纳米线,随着径向厚度的增加,能带变的越来越水平.对于核壳结构纳米线,分波态密度显示它们都是Ⅱ型异质结构.研究有助于理解这类异质结构纳米线以及它们在电子发动机及光伏设备方面的应用.     

The stability and electronic properties of wurtzite and zinc-blende ZnS nanowires

The stability and electronic properties of the pristine wurtzite (WZ) and zinc-blende (ZB) structural ZnS nanowires are investigated and compared by using first-principles approaches. It shows that the WZ-ZnS nanowire is more stable energetically than the ZB-ZnS nanowire. The two kinds of ZnS nanowires have different electronic properties due to both the quantum confinement effect and the surface effect. The band gaps of pristine WZ nanowires become larger than that of the corresponding bulk ZnS, while those of ZB nanowires are smaller. The electronic properties of the hydrogen-passivated WZ-ZnS and ZB-ZnS nanowires are further calculated. The underlying physical reason for their energetic and electronic structures is elucidated.     

Quantum confinement and electronic properties of tapered silicon nanowires

Using ab initio calculations, structural tapering of silicon nanowires is shown to have a profound effect on their electronic properties. In particular, the electronic structure of small-diameter tapered silicon nanowires is found to have a strong axial dependence, with unoccupied eigenstates being substantially more sensitive to diameter. Moreover, the states corresponding to the highest occupied and the lowest unoccupied states are spatially separated along the wire axis by the tapering-induced charge transfer and a strong electrostatic potential gradient, due to an appreciable variation in quantum confinement strength with diameter.