He原子嵌入富勒烯过程的从头算研究

采用从头算方法,利用密度泛函理论（DFT）模拟不同路径、不同压力条件下He@C60的形成过程。 通过对He嵌入富勒烯的势垒进行研究发现,He原子进入碳笼最可能的路线是：He原子沿曲线路径靠近碳笼,然后沿六边形中心进入碳笼,并最终停留在碳笼中心。并通过模拟不同压力条件下He原子进入碳笼的势垒大小,简要探讨了合成He@C60的最佳条件。并进一步研究了nHe@C60(n=1,2,3)的反应势垒问题。     

单轴应变条件下Fe从α到ε结构相变机制的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了沿［001］方向单轴应变条件下Fe从体心立方结构(bcc,α相)到六角密排结构(hcp,ε相)相变的临界压力、相变路径、相变势垒以及相变过程中原子磁性的变化.结果发现:单轴应变条件下Fe从α到ε结构的相变路径与以前理论计算模拟给出的静水压力条件下的相变路径明显不同;原子磁矩沿着相变路径突然降低,同时伴随着能量和体积的突然变化,是典型的一阶磁性相转变,表明原子磁性的丧失导致了bcc结构不稳定而向hcp结构转变.对单轴应变下吉布斯自由能的计算表明,相变势垒随着单轴应 关键词： 相变 单轴应变 第一性原理 铁     

氢、氮、铍、锂原子在缺陷富勒烯C_x(X=58～62)中的吸附与渗透

碳富勒烯包合物由于潜在的应用前景受到广泛关注.我们采用第一性原理方法计算了氢、氮、锂、铍原子在不同碳富勒烯中的吸附和穿越.根据原子在不同碳富勒烯笼中的势能曲线,我们给出了原子穿越碳富勒烯笼的势垒和势阱,归纳出原子穿越碳笼机理分为插入机理、渗透机理以及插入机理和渗透机理的混合机理.     

Cu(111)三维表面岛对表面原子扩散影响的分子动力学研究

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用分子动力学方法计算了同质外延生长中不同层数的三维Cu(111)表面岛上表面原子扩散激活能，分析了三维表面岛的层数对表面原子交换扩散和跳跃扩散势垒的影响. 研究结果表明，二维Enrilich-Schwoebel(ES)势垒小于三维ES势垒，且三维ES势垒不随表面岛层数的增加而显著变化. 对于侧向表面为(100)的表面岛，表面原子沿〈011〉方向上的扩散行为，随表面岛层数增加而逐渐变化；在表面岛层数达到3层时，扩散路径上的势垒变化趋于稳定，表面原子扩散以下坡扩散为主. 对于侧面取向为(111)的表面岛，当表面岛层数大于3层后，开始呈现上坡扩散的可能. 关键词： 表面原子 扩散 分子动力学模拟     

分子动力学方法研究金属Ti中He小团簇的迁移

采用分子动力学方法模拟了不同温度下He原子及He团簇在金属Ti中的迁移特性,并计算了扩散前系数和激活能. 研究发现这种扩散的各向异性非常显著,具体表现在He原子及He团簇在不同方向上扩散系数的前系数完全不同,但它们的激活能却相同. 研究表明:在预测金属中He的扩散行为时,必须采用动态模拟方法才能得到准确的前系数,仅仅考虑势垒的静态模拟方法是不行的. 另外,还发现一个不同于直觉的现象,即较低温度下He二聚物的扩散系数比单个He原子的扩散系数大;此外,在所模拟的温度范围内Arrhenius方程能够很好地描述它们的扩散. 这说明动力学模拟对预测金属中He的扩散行为具有重要的意义. 关键词： 分子动力学 扩散系数 各向异性 氦     

氢、氮、铍、锂原子在缺陷富勒烯CX（x=58-62）中的吸附与渗透

碳富勒烯包合物由于潜在的应用前景受到广泛关注。我们采用第一性原理方法计算了氢、氮、锂、铍原子在不同碳富勒烯中的吸附和穿越。根据原子在不同碳富勒烯笼中的势能曲线,我们给出了原子穿越碳富勒烯笼的势垒和势阱,归纳出原子穿越碳笼机理分为插入机理、渗透机理以及插入机理和渗透机理的混合机理。     

2004年第5期《物理》内容预告

研究快讯能量与空间分辨的单分子显微术———透过碳笼“看”富勒烯　包合物内的金属原子(王炜华等) ;绝对测量He原子快电子碰撞双激发的电子关联动力学(刘　小井等) .评述半导体量子点及其应用(Ⅱ) (赵凤瑷等) .前沿进展光子晶体光纤及其应用(赵玲慧等) ;GeSbTe与AgInSbTe体系     

金属原子催化作用下缺陷石墨烯薄膜的自修复过程

采用分子动力学方法,模拟了金属原子存在条件下缺陷石墨烯的自修复过程.模拟采用了Ni和Pt两种金属原子作为催化剂,通过改变系统温度,得到了多组模拟结果.观察对比了模拟结束时获得的原子构型图,并通过计算修复过程中石墨烯内5,6,7元环的数量变化,研究了不同金属原子对缺陷石墨烯的催化修复效果,发现在适当的温度(1600 K和2000 K)下,与无金属原子条件下的修复结果相比,两种金属原子都表现出了一定的催化修复能力,且Ni表现出的催化修复能力要优于Pt.为了探究其背后的机理,我们模拟了部分典型的结构演变.发现Ni和Pt原子分别会导致"环内跳出"和"断环"的局部结构转变,并且在不同温度下均表现出不同程度捕获碳链的能力.此外,观察了两种金属原子在平面内外的不同迁移行为,并通过绘制金属原子的迁移路线,计算其迁移量,进一步研究了两种金属原子不同的催化修复机理.研究结果有利于认识不同金属原子具有的不同催化修复效果,理解不同金属原子的催化作用机制,有助于针对缺陷石墨烯的修复选择合适的催化剂.     

邻晶面外延生长机制的动力学Monte Carlo模拟

用动力学Monte Carlo模拟方法研究了GaAs(001)邻晶面的外延生长机制.Ehrlich-Schwoebel势垒对邻晶面外延机制有重要的影响.模拟结果显示，低温下Ehrlich-Schwoebel势垒几乎能完全阻止原子向下一台阶面的迁移，高温下原子已能有效地克服势垒的影响并向下一台阶面迁移.在外延生长初期，原子几乎在台阶面上均匀分布.当表面覆盖度达到一定数量后，台阶成核开始.而由于Ehrlich-Schwoebel势垒的存在，在台阶的上侧台阶面上开始有原子的积累，而如果没有Ehrlich-Schwoebel势垒，台阶上侧台阶面上的原子也能被有效地耗尽.Ehrlich-Schwoebel势垒对邻晶面上的外延生长模式有显著的影响，将明显提高达到台阶生长模式的温度. 关键词： 外延生长模式 动力学Monte Carlo Ehrlich-Schwoebel势垒     

液态~4He系统对关联函数的路径积分蒙特卡罗模拟

利用路径积分蒙特卡罗(PIMC)模拟方法研究了由256个4He原子组成的系统在不同条件下的对关联函数g(r).在标准大气压下(SVP),分别在1.38K,1.67K,2.50K和4.24K等四个温度时对系统不同势能的情况的对关联函数进行了计算;另外还讨论了系统的温度和密度对对关联函数的影响.结果发现,系统的势能变化及密度变化都或大或小影响对关联函数,而温度对其影响不是很大.虽然PIMC方法存在有限尺度效应,但是由128和256个4He原子组成系统的对关联函数存在极小的差异,因此可以得到:随着模拟系统尺度的增大,所模拟的有限尺度的系统已逐渐接近于真实系统.所以所得的256原子系统的性质可近似说明液态系统性质.     

X@C20F20(X=He,Ne,Ar,Kr)几何结构和 电子结构的理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似, 对X@C₂₀F₂₀(X=He, Ne, Ar, Kr)几何结构和电子结构进行了计算研究. 几何结构优化发现: 惰性气体原子X内掺到C₂₀F₂₀笼后, 均稳定于碳笼中心, 随着内掺X原子序数的增大, X原子对C₂₀F₂₀笼的影响越来越大. 能隙、内掺能和振动频率计算表明: 内掺X原子使得C₂₀F₂₀的稳定性得到了显著提升, X@C₂₀F₂₀(X=He, Ne, Ar, Kr)都具有良好的稳定性, 并且随着X原子序数的增大, 其稳定性也基本呈现逐渐增强的趋势. 电子结构研究发现: X原子对X@C₂₀F₂₀费米能级附近的占据轨道基本没有贡献, 而对其未占据轨道贡献较大. 计算还发现: 在X@C₂₀F₂₀中, He 和Kr分别从C₂₀F₂₀的C 笼上获得了0.126和0.271个电子, 而Ne和Ar却分别向C笼转移了0.060和0.012个电子. 由此可见: X原子与C原子之间都发生了电荷转移, C笼上的C原子与惰性气体原子X间形成了一定的离子键.     

高压下Fe从bcc到hcp结构相变机理的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 分别研究了压力作用下Fe从体心立方 (bcc,α 相) 结构到六角密排(hcp, ε相) 结构相变的两种不同的相变机理: 相变过程中出现亚稳定的面心立方(fcc) 结构(bcc-fcc-hcp) , 以及相变过程中没有出现亚稳定的fcc结构(bcc-hcp) . 计算结果表明: 静水压力条件下, 相变过程中并不会产生亚稳定的fcc结构, 这与最近的原位XRD实验测量结果相一致. 随着压力的增加, fcc-hcp的相变势垒逐渐增加, 压力趋向于阻止Fe从fcc结构到hcp结构的相变. 计算得到了相变过程中原子磁性和结构的详细信息, 分析表明相变过程中涉及复杂的磁性转变, 并且讨论了原子磁性对结构转变影响的物理机理. 此外, 对分子动力学模拟中产生亚稳定的fcc结构的原因也进行了讨论. 关键词： 相变机理 静水压力 第一性原理 铁     

掺杂B_nN_n(n=12,16,20,24,28)团簇的生成热

中等尺寸的硼氮富勒烯笼与碳笼富勒烯相似,具有纳米尺度的球形内包空间,应该可以形成内包原子的笼状包合物,且无论从理论研究,还是从应用研究上讲都还处于起步阶段.我们采用第一性原理方法计算了第一、二、三、四周期内各元素原子作为M原子,分别构建M@B_nN_n(n=12,16,20)包合物并计算结合能.发现当硼氮富勒烯笼直径较小时,不同元素结合能的大小规律与原子半径的规律相符.副族元素的Mn、Fe、Co和Ni较其它元素的包合物稳定性明显增加.     

Si表面间水平碳纳米管束的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学模拟方法研究了Si表面间单壁水平碳纳米管束SWCNT (10,10)的变形和摩擦特性.系统在弛豫平衡后,首先对碳纳米管束施加压力至碳纳米管或Si表面结构破坏.之后在无压力和高压力两种情况下使上表面沿水平方向做剪切运动以研究碳纳米管束的摩擦特性.结果表明,由于碳纳米管的柔韧性,碳纳米管束在加载过程中出现明显变形,但直至3.8 GPa高压下并无结构破坏.系统无压力时SWCNT (10,10)在原地轻微随机滚动,压力为3.8 GPa时,碳纳米管束出现了整体的轻微滑动,同时伴随无规律的轻微滚动, 关键词： 碳纳米管束 摩擦 分子动力学模拟     

温度及深度对钛中氦泡释放过程影响的分子动力学研究

利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究. 首先, 通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态, 得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律. 发现He泡压强随其深度增加逐渐变大, 体积则逐渐减小, 但当He泡深度增大到2.6 nm时, 二者均维持在某个固定值附近. 然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟, 发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别, 总体来看He泡越深, 释放所需的临界温度越高. 但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别, 释放过程几乎均为瞬间完成. 最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比, 阐述了金属Ti 体内He泡的释放机制: 当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时, He泡就会将Ti 薄层撕裂, 从而使He原子得到释放.     

R相C60聚合物的磁性研究

在高温高压条件下利用高压合成装置合成了二维R相C60聚合物,并利用X射线衍射(XRD)和超量子干涉(SQUID)对合成的样品进行了研究.X射线衍射(XRD)数据表明,在6 Gpa压力和7000C-7250C的温度条件下合成的聚合物为纯度较高的二维R相C60聚合物,当温度升高至8000C时,富勒烯的笼状结构塌陷,样品全部变为无定形碳结构.超量子干涉(SQUID))数据表明,在富勒烯笼状结构出现破缺或共价键结构出现断裂的边界条件下制备的二维R相C60聚合物具有铁磁性,样品的磁性来源于破缺的C60分子笼和断裂的共价键.     

R相C_(60)聚合物的磁性研究

在高温高压条件下利用高压合成装置合成了二维R相C60聚合物,并利用X射线衍射(XRD)和超量子干涉(SQUID)对合成的样品进行了研究.X射线衍射(XRD)数据表明,在6 Gpa压力和700℃-725℃的温度条件下合成的聚合物为纯度较高的二维R相C60聚合物,当温度升高至800℃时,富勒烯的笼状结构塌陷,样品全部变为无定形碳结构.超量子干涉(SQUID))数据表明,在富勒烯笼状结构出现破缺或共价键结构出现断裂的边界条件下制备的二维R相C60聚合物具有铁磁性,样品的磁性来源于破缺的C60分子笼和断裂的共价键.     

过渡金属富勒烯化合物V_xC_(60)的Raman光谱

研究了金属富勒烯化合物 Vx C6 0 的 Raman光谱。通过比较不同金属原子含量 ( x=1 .44,2 .65,4.35,1 1 .2 )样品的 Raman光谱 ,发现过渡金属 V的原子与 C原子之间出现键合。当金属含量较高时 ,这种碳笼结构的金属富勒烯化合物转变为金属碳化物。     

异质扩散过程中ES势垒的计算

利用分子动力学中的静态结构计算方法对Pd，Ag及Cu原子在面心立方铜的台阶表面扩散过程中的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒进行了模拟计算，研究了各种台阶表面情况下增原子扩散过程中的ES势垒；讨论了与衬底互溶的金属和与衬底不互溶的金属增原子扩散的ES势垒的异同，并将模拟结果与同质情况的研究结果进行了对比. 结果表明： 1)在同质和异质扩散过程中ES势垒随着台阶高度的变化关系是相似的，即随着台阶高度的增加，ES势垒逐渐增加；当台阶高度达到某一高度时ES势垒将趋于定值. 2)在跳跃机理下，与Cu互溶的金属(Pd)在Cu表面台阶上扩散的ES势垒最大，其次是Cu，最小的是与Cu不互溶的金属 (Ag)；而在交换机理下，与Cu不互溶的金属(Ag)在Cu表面台阶上扩散的ES势垒最大，其次是Cu，最小的是与Cu互溶的金属(Pd). 3)对大多数台阶的情况，交换机理支配着原子在台阶边缘的扩散行为；且表面台阶高度对交换扩散过程影响较大.     

气相碳原子成笼的动力学模拟

分析了高温气相条件下纳米团簇形成的动力学过程.采用所谓的“速度遗忘”方法尝试建立了一个简化的动力学模型，并用此模型模拟了气相碳原子成笼的动力学过程.通过分析不同的模拟条件（对应于不同的实验条件）下碳原子在成笼过程中的运动轨迹，得到了与气相合成碳纳米团簇实验相符合的规律. 关键词： 分子动力学模型 纳米团簇