低维限域结构中水与物质的输运

低维限域结构中水与物质的输运研究,对于解决界面化学和流体力学中的遗留问题十分关键.近年来,研究人员采用分子动力学模拟和实验手段研究低维限域结构中水与物质的输运,并将其应用于物质输运、纳米限域化学反应、纳米材料制备等领域.本文从理论和实验的角度总结一维和二维纳米通道的水与物质输运,介绍了本研究组提出的"量子限域超流体"概念,并用于解释纳米通道中超快物质的输运现象;在此基础上概述了一维纳米通道中的分子动力学模拟和水浸润性,以及外部环境(如温度和电压)对限域结构中水浸润性的调控,同时阐述了低维限域结构中的液体输运;对二维纳米通道中的分子动力学模拟、液体浸润性以及液体输运进行了综述;讨论了纳米通道限域结构在物质输运、纳米限域化学反应和纳米材料制备等领域的应用;对低维限域结构中水与物质输运面临的挑战和前景进行了展望.     

ZnO原子链的结构稳定性和电子性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,研究了ZnO原子链的结构稳定性和电子性质.结果表明：ZnO分子可以形成直线形结构、梯子形结构以及双梯子形结构等一维链式结构,而之字形链状结构是不能稳定存在的.计算结果也表明：这些稳定存在的一维原子链结构均表现出间接带隙的特征,而之字形结构的原子链却表现出了类似金属的能带特征. 关键词： 原子链 结构稳定性 电子结构 第一性原理计算     

高压下限域富勒烯分子体系构筑的新结构

探索新的碳结构是物理、材料等学科关注的热点课题. 富勒烯分子可看成是一种零维碳结构，其独特的结构和优异的性质为构筑新碳结构提供了理想的构筑单元. 本文介绍了利用限域与高压相结合的方法，在富勒烯限域体系研究中取得的进展，包括溶剂化富勒烯、富勒烯填充单壁碳纳米管（Peapod）限域体系的高压结构转变，总结了溶剂分子等对限域富勒烯高压结构相变与新结构形成的影响. 结果对新型碳结构的设计与构筑提供了新的思路与有益参考.     

碳纳米管受限空间对共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)链段运动行为的影响

在纳米受限空间中,高分子往往会表现出与本体状态不同的性质,如异常的链段运动特性及晶相间转变行为等,这些性质对于研究和开发新型高分子材料具有重要的意义,因此针对受限环境下高分子的物理化学特性研究也一直是高分子界关注的焦点.本文通过化学气相沉积法制备垂直取向排列的多壁碳纳米管阵列,借助溶剂润湿–收缩法获得规整的高密度阵列结构,其取向排列的碳纳米管间隙形成了准一维的纳米受限空间,尺寸在5—50 nm尺度下可调.进一步将共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)填充到碳管间隙的纳米空间中,制备PFO与取向多壁碳纳米管阵列复合膜.结果发现在碳纳米管形成的纳米受限空间中,PFO的链段热运动行为与本征态PFO薄膜相比受到了明显的抑制,不同晶型间转变速度大大减缓,提高了构象的热稳定性,同时取向排列的碳纳米管对PFO分子链取向排列分布具有明显的诱导作用,有利于获得高性能的PFO晶体.这种高密度取向排列的碳纳米管阵列结构未来可以用于制备优良发光性能及高稳定性的PFO光电器件.     

一维纳米限域物质的结构

低维材料的结构探索是我们全面认识元素物态的关键.近年来,研究方法的发展使包括一维原子链在内的各种低维结构逐渐被报道.根据一维限域材料的发展现状,本文重点对直径1 nm以下单质材料的结构和物理性质进行了综述,并简要总结了此类研究中常用的实验技术和理论方法.希望通过材料结构特性的解读和研究方法的讨论,说明目前理论计算层面存在的困难及需要面临的挑战,并以此对一维限域材料的研究前景进行展望.     

硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了硅纳米颗粒在碳纳米管上的生长，并分析了这种复合材料的基本结构.研究表明，由于硅原子和碳纳米管之间的相互作用以及碳纳米管的巨大的表面曲率，硅原子在碳纳米管表面不是形成覆盖碳纳米管的二维薄膜，而是生成具有三维结构的硅纳米颗粒.小纳米颗粒的结构和无基底条件下生成的颗粒结构基本一致.对于大纳米颗粒，不同于无基底条件下形成的球状纳米晶体硅结构，硅纳米颗粒沿管轴方向伸长，其结构为类似于硅晶体的无定形网络结构. 关键词： 纳米颗粒 碳纳米管 硅 分子动力学模拟     

Ni原子链填充碳纳米管的能量、电子结构和磁性的第一性原理计算

在广义梯度近似(GGA)下,利用密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理投影缀加波(PAW)赝势方法,研究了单根Ni原子链填充扶手椅型(n,n)(5≤n≤9)单壁碳纳米管的能量、电子结构和磁性.结果表明(5,5)碳纳米管直径过小排斥Ni原子链的插入,(6,6)碳纳米管是容纳Ni原子链的最小碳纳米管,特别是Ni原子链位于其中心轴线上时的形成能最低.以Ni@(6,6)和Ni@(7,7)系统为例,计算并分析了其自旋极化能带结构,电子总态密度,分波态密度和磁性,发现Ni原子的3d态电子 关键词： Ni原子链 碳纳米管 电子结构 磁性能     

含缺陷碳纳米管及碳纳米豆荚静动力特性模拟研究

采用分子动力学方法,对含双空位及多空位缺陷碳纳米管进行静动力特性模拟研究.首先讨论了双原子空位缺陷以及多原子空位缺陷对碳纳米管的准静态力学性质的影响,然后讨论了缺陷以及轴向预应力对碳纳米豆荚内C60分子振荡动力学的影响.研究表明,相对于无缺陷碳纳米管,含不同类型双原子空位缺陷碳纳米管的极限应力、极限应变和弹性模量都大幅下降;当碳纳米管缺陷原子较多,缺陷连接在一起形成类似裂纹之后,使得碳纳米管轴向抗压性能大幅降低,裂纹沿周向发展相比于裂纹沿轴向发展,其抗压能力下降得更多,这类似于含裂纹的壳体模型结构抗压性能的下降;缺陷碳纳米豆荚中C60分子的振荡频率受到缺失的碳原子数的影响,单原子空位缺陷使得C60分子的振荡频率增大,但随着空位数的增多, C60分子的振荡频率会逐渐减小;当缺陷碳纳米豆荚存在轴向预应力时, C60分子的振荡不仅受到缺陷影响,同时还受到轴向预应力的影响,这使得C60分子振荡变得更为复杂.     

钯金属吸附对半导体性碳纳米管电输运的影响

利用物理蒸发技术,在半导体性的碳纳米管上沉积钯金属,利用导电原子力显微镜检测钯吸附对碳纳米管电输运的影响.结果表明:沉积的钯在碳纳米管上形成纳米颗粒,随着钯颗粒密度的增加,半导体性碳纳米管逐渐向金属性转变.利用第一性原理计算了吸附有钯原子的半导体性单壁碳纳米管的能带结构.研究发现,钯的覆盖率越高,其禁带宽度越窄,直至为零,定性说明了实验结果的合理性. 关键词： 单壁碳纳米管 钯纳米颗粒 导电原子力显微镜 第一性原理计算     

4A碳纳米管及相关结构的嵌锂特性(英文)

碳纳米管独特的一维结构和强烈的卷曲效应为外来原子提供了理想的嵌入通道。本文全面总结了近年来我们对直径仅为4A的三种单壁碳纳米管嵌锂特性的密度泛函研究工作。我们具体讨论了体系嵌锂后的结构、能量、电子、电化学等特性。由于这些超小直径的碳纳米管最初合成于沸石晶体的纳米管道,我们也讨论了碳纳米管?沸石晶体复合体系的嵌锂特性。另外,我们还研究了由(5,0)和(14,0)碳纳米管组成的双壁碳纳米管体系的嵌锂特性。我们的理论计算表明,超小直径碳纳米管及相关结构作为锂离子电池负极材料具有很好的应用前景。     

一维螺旋型Se原子链中的Rashba效应和平带性质

探索低维体系电子态的调控规律可以为构筑下一代微纳电子学器件提供理论基础.本文采用第一性原理计算研究了一维螺旋型Se原子链的结构性质和电子性质.结果发现,该结构比直线型结构能量要低得多,且具有动力学和热力学稳定性.能带计算表明,这种螺旋型一维原子链结构是带隙约为2.0 eV的半导体,且在X点附近展现出Rashba型的自旋劈裂.这种特殊的原子链结构便于人们通过应力调控其电子性质.计算结果表明, 5%的拉伸应变就可以将其带隙减小20%,而5%的压缩应变将Rashba能量偏移增大到平衡体积时的2倍多.此外,其价带是一条平带,引入空穴掺杂可以诱导产生磁性,从而使体系转变为半金属.进一步增加空穴掺杂,体系转变为铁磁金属.同样,这种掺杂效应还出现在一维螺旋型Te原子链中.     

纳米体系中发光能隙展宽的研究

采用两种简单的一维模型,通过直接严格求解该模型下薛定鄂方程给出晶场中的限域情况下电子能级结构以及纳米体系中电子的限域能,从而研究体系的发光蓝移现象.基于限域能的计算,讨论了纳米体系的限域能和发光蓝移随尺寸以及势场的变化关系.结果表明：导带底的电子能级随体系的尺寸增大而降低;而价带顶则随粒径的增大而升高,因此,限域能随纳米尺寸的减小迅速增大.同时将计算结果与通常文献中所采用的有效质量计算的结果进行比较,可以看出二者有明显差别,且尺寸越小,其差异越大.因此,限域能随尺寸的变化并不严格满足通过有效质量方法计算出 关键词： 蓝移 能隙 量子限域效应 量子尺寸     

一维金刚石结构晶格的非线性局域模

用多重尺度法研究了质量均匀相互作用力交替变化的原子链形成的非线性局域振动模式,这 种原子链模拟了金刚石结构晶格沿〈111〉晶向或一维分子链的振动,通过多重尺度展开分 析得出,原子位移分布服从微扰的非线性Schrdinger方程,求得了相应的定态解和传播解 ,其结果与相互作用力相同质量交替分布的另一种形式的一维双原子晶格的结果有所不同, 其原因是金刚石结构晶格的对称性相对差些. 关键词： 金刚石结构 非线性局域模 多重尺度法     

碳纳米锥力学特性的分子动力学研究

结合原子间短程作用势(Brenner势)和长程作用势(Lennard-Jones势),利用分子动力学方法对各种锥角的碳纳米锥进行拉伸和压缩实验,获得其载荷-应变关系曲线、受拉/压载荷极限、应变极限和构形演变等力学特性,并与等量原子组成的碳纳米管进行比较研究.研究结果表明,等量碳原子组成的碳纳米锥的受拉/压载荷极限随着锥角的增大先是增大后减小,受拉/压应变极限则随着锥角的增大而增大.与碳纳米锥相比,等量碳原子组成的碳纳米管的受拉/压载荷极限和应变极限显得既不突出也不逊色.在受压构形演化方面,与碳纳米管丰富的径向屈曲/扭转/侧向屈曲组合形变不同,112.88°和83.62°锥角的碳纳米锥受压沿轴向完美内陷,而60.0°和38.94°锥角的碳纳米锥受压发生侧向屈曲.     

原子分子纳米科学教育部重点实验室(清华大学原子分子纳米科学研究中心)

实验室的总体发展目标是：开展原子、分子及纳米尺度的理论和实验研究。主要研究方向为：1、原子分子与纳米层次的探测、识别与控制的物理基础;2、原子、分子、团簇结构与动力学；3、纳米尺度上材料合成、微观结构与特性；4、原子分子超灵敏谱学及其在生物医学、环境、资源等的应用。原子分子纳米科学教育部重点实验室(清华大学原子分子纳米科学研究中心)     

多孔阳极氧化铝膜的制备及其在一维纳米材料合成中的应用

从一维纳米材料的研究范畴入手 ,综述了多孔阳极氧化铝膜的结构特征、形成机理以及作为模板在合成纳米导电聚合物、纳米金属、纳米半导体、纳米复合材料及碳纳米管等方面的研究与应用的最新进展 ,揭示了多孔阳极氧化铝模板在合成与组装纳米新材料方面的重要作用 .     

畸变对hopping电导的影响：Thue Morse纳米结构模型

发展实空间重正化群方法，研究了一维非周期Thue Morse纳米结构链的hopping电导率.计算表明Thue Morse纳米结构体系的晶粒种类、晶粒尺寸对hopping电导有显著的调制作用，界面结构和晶格畸变对hopping电导也有不同程度的影响.从无序度对hopping电导的影响来看，Thue Morse纳米结构链的无序度介于Fibonacci链和周期链之间. 关键词： Thue Morse纳米结构链 重正化群方法 hopping电导 尺寸效应 界面效应     

双离子(40Ar+, C2H+6)辐照合成金刚石纳米晶颗粒

用双离子(⁴⁰Ar⁺，C₂H⁺₆)辐照实验完成了从多壁碳纳米管向金刚石纳米晶颗粒的转变.对转变机理进行了初步探讨.这一探索有望能成为一种金刚石纳米晶合成的新途径.由此可知，多重荷能离子辐照用于其他材料纳米结构的制备也不是凭空设想. 关键词： 金刚石纳米晶 离子辐照 透射电子显微镜     

硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究

应用基于第一性原理的密度泛函理论研究了硼原子取代掺杂的（8,0）碳纳米管吸附甲醛气体分子的束缚能、电子结构以及光吸收和反射性质.研究发现,硼原子掺杂的碳纳米管对甲醛气体具有较强的敏感性,其束缚能大大增加,电荷转移更加显著,吸收峰和反射峰增多,峰值减小,且在低能区发生蓝移现象,在能量约为172 eV处均出现一特征峰.对计算结果进行了讨论,期望利用硼掺杂碳管来制作检测甲醛的纳米传感器和光电器件. 关键词： 碳纳米管 甲醛 硼原子取代掺杂 光学性能     

简单金属Al原子链的磁性

使用密度泛函理论下的第一性原理方法,研究了纳米尺度下简单金属Al原子链的磁性．计算结果显示,一维的Al原子链无论是在线性链还是锯齿形的结构下都有可能表现出磁性,但是这些磁性都是在原子键长被拉伸的情况下才会出现．通过原子轨道相互作用的图像,配合电子状态密度的计算和Stoner判据,解释了一维Al原子链磁性产生的原因． 关键词： 磁性 Al原子链 第一性原理计算