受限空間中納米線的結(jié)構(gòu)演化及電子輸運(yùn)性.pdf

1、近年來，一維納米線和碳納米管都是納米材料研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，在納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面都具有極為廣泛的應(yīng)用前景。其中，納米線憑借其不同于三維塊體材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)及物理性能而備受關(guān)注。研究表明納米線對氧氣、水蒸氣的敏感度較高，這對其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成了很大的威脅。于是人們開始借助碳納米管作為模板來合成納米線。碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械性能、熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，目前已被廣泛地應(yīng)用于合成一維納米材料。在該方法中，納米線因受

2、到碳納米管空腔的尺度效應(yīng)以及其與管壁上碳原子間的相互作用而有可能擁有更特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此使用碳納米管作為模板來合成納米線具有極為廣泛的應(yīng)用前景。
　　本課題主要研究Ni、Ni-C及Si納米線的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。首先利用分子動力學(xué)模擬來研究納米線在碳納米管受限空間中的結(jié)構(gòu)演變特性，然后通過密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)結(jié)合的方法來計(jì)算所得結(jié)構(gòu)的電子傳輸性質(zhì)。主要的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)研究了從碳納米管中獲得的超細(xì)Ni及N

3、i-C合金納米線的結(jié)構(gòu)及電子輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果顯示，當(dāng)C原子濃度極低時(shí)，C原子優(yōu)先占據(jù)納米線的中間位置并被Ni原子所包圍。隨著C濃度的增大，因受到空間尺寸的限制，C原子不再嚴(yán)格占據(jù)中間位置，并開始形成C-C鍵。有趣的是，這些納米線的電流極化與它們在費(fèi)米能級處的自旋極化是相反的。增加C原子濃度主要通過兩方面來提高Ni-C合金納米線的電阻:減少電子傳輸通道的數(shù)目;降低Ni原子間電子軌道的耦合作用。此外，增大Ni-C合金納米線的直徑會直接增加其電

4、子傳輸通道的數(shù)目從而增大電導(dǎo)。
　　(2)系統(tǒng)地研究了受限空間中Si納米線從3000K降溫至300K這一過程中的結(jié)構(gòu)演變，分別探討了碳納米管尺寸、冷速及模板形狀對所得Si納米線結(jié)構(gòu)的影響。由于受到界面相互作用和Si-Si相互作用的影響，以1K/ps的冷速凝固后的Si納米線結(jié)構(gòu)是分層的，由按照晶體Si(100)面排列的最外層結(jié)構(gòu)和類似非晶體的內(nèi)芯結(jié)構(gòu)組成。這種有序和無序結(jié)構(gòu)的混合表現(xiàn)在雙體分布函數(shù)曲線上為第二峰劈裂。凝固過程中由于受