准晶及碳纳米管电子、声子特性的第一性原理研究
  • 【摘要】

    材料科学对现代社会具有极其重要的意义.20世纪80-90年代,准晶和碳纳米管等新型结构材料的发现大大拓展了人们对固体结构的认识,它们奇特的性质和潜在的应用价值吸引了各方面的兴趣和关注. 准晶与晶体、无序固体均不同,它虽长程取向有序但无平移周期性,可以具有五次、八次、十次、十二次等晶体决不可能具有的旋转对称性.Hume-Rothery规律对于准晶的稳定性起到了重要作用,并对其电子特性产生很大影响,如... 展开>>材料科学对现代社会具有极其重要的意义.20世纪80-90年代,准晶和碳纳米管等新型结构材料的发现大大拓展了人们对固体结构的认识,它们奇特的性质和潜在的应用价值吸引了各方面的兴趣和关注. 准晶与晶体、无序固体均不同,它虽长程取向有序但无平移周期性,可以具有五次、八次、十次、十二次等晶体决不可能具有的旋转对称性.Hume-Rothery规律对于准晶的稳定性起到了重要作用,并对其电子特性产生很大影响,如赝能隙和精细峰结构.准晶具有很多引人注意的奇特性质,如很低的电导率、热导率等等.碳纳米管由石墨烯卷起形成,它具有纳米直径,且具有极大的长径比.其一维纳米结构使量子效应表现的非常明显,最显著的特点之一是,其几何构型如直径、螺旋度等对其电子性质有很大影响.1997年人们发现碳纳米管在储氢方面有极大的潜力,极有可能成为达到实际应用标准的储氢材料;最近在4?碳纳米管中发现超导现象,这些都吸引了广泛的关注. 尽管取得了巨大进展,但是人们对这些新型材料的理解还远不完整.为了研究这些材料物理性质的微观本质,我们需要确定其电子、声子结构.密度泛函理论是研究固态性质的最有用的工具之一.基于密度泛函理论框架可以计算材料的电子、声子谱及相关物理性质,并与实验结果相比较.并且第一性原理计算在不易测量的物理性质研究、新材料设计等方面对实验有巨大指导意义. 本论文利用第一性原理计算方法研究了准晶和碳纳米管的电子、声子特性及相关物理性质.本论文主要的研究成果有: 1、与通常的线性muffin-tin轨道方法不同,本文采用赝势、赝原子轨道计算方法,研究了十次准晶和二十面体准晶近似相的电子特性;此计算方法利用原子轨道的局域性既可以大大减少大尺度问题的计算量,又不失结果的精确性;它给出费米波矢电子在布里渊区边界的散射(Hume-Rothery效应)将导致电子态密度在费米面处有显著的赝能隙产生,并对准晶的稳定性有重要作用;Al原子的sp电子与过渡金属的pd电子杂化将导致电子态密度的精细峰结构,并明显影响准晶的输运性质. 2、利用密度泛函微扰理论计算了两类Hume-Rothery合金的声子谱.发现相同晶体结构将给出非常相似的声子谱;包含同族过渡金属原子的声子谱数值的差异主要归结为不同的原子质量;包含同周期过渡金属原子的声子谱数值的差异主要归结为电子浓度对Hume-Rothery合金的原子间相互作用的影响;我们进一步计算了相应结构的晶格比热. 3、采用平面波赝势计算方法,系统研究了小直径碳纳米管的储氢问题.由于卷曲效应,小直径碳纳米管的管内化学吸附从能量上看是非常不利的;管外吸附时由于相对于大直径碳纳米管有更大的化学活性,将给出更稳定的吸附状态和更小的吸附、脱附势垒;氢原子在碳纳米管表面的吸附将明显改变其电子特性,且随吸附浓度的增大呈现金属、半导体、绝缘体的转变.三种4?碳纳米管的化学吸附能、吸附势垒有明显的螺旋度及直径依赖关系;在考虑了碳纳米管内氢分子的物理吸附后,其中(5,0)碳纳米管将给出9.8wt%的储氢容量;碱金属掺杂将对碳纳米管储氢有促进作用. 4、利用密度泛函微扰理论全面研究了小直径碳纳米管的声子特性.某些振动模式的声子频率对计算中的"电子温度"非常敏感,并在较低电子温度时频率为负值变成软模;对(5,0)碳纳米管发现了两种与之前文献完全不同的软模,它们随电子温度作单调变化;我们的结果表明在很低电子温度时由于新软模的存在,(5,0)碳纳米管很可能仍然保持金属性而不会发生自发Peierls相变转化成绝缘体;并通过与具有相同螺旋度的(6,0)碳管声子频率的比较,探讨了(5,0)碳管在Γ点的声子模式软化的原因. 收起<<

  • 【作者】

    缪灵 

  • 【学科专业】

    理论物理

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    武汉大学

  • 【导师姓名】

    胡承正

  • 【学位年度】

    2008

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    第一性原理计算%准晶%碳纳米管%电子特性%声子特性