低維硼結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、　　硼和碳是元素周期表中相鄰的兩個元素。近些年來，低維碳納米材料包括碳富勒烯、碳納米管、石墨烯和碳納米帶等由于具有非常獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，引起人們的高度關(guān)注。那么，低維硼納米材料是否與低維碳納米材料相類似，也具有一些奇特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)呢？隨著對低維硼納米材料研究的逐漸深入，低維硼納米材料所具有的新奇結(jié)構(gòu)和新穎性質(zhì)逐漸被人們所了解。
　　本論文采用第一性原理計算方法并結(jié)合粒子群搜索算法來搜索新型二維硼平面結(jié)構(gòu)，之后基于能量較低的二維

2、硼平面結(jié)構(gòu)，構(gòu)造并研究了準(zhǔn)一維的硼納米帶和和硼納米管。硼二維平面結(jié)構(gòu)、硼納米帶和硼納米管的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究表明，硼基低維納米材料具有豐富的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，在納米器件和自旋電子學(xué)等方面具有潛在的應(yīng)用價值。
　　在搜索到的大約7000種硼平面結(jié)構(gòu)中，我們選取了其中能量相對較低的40多種硼平面結(jié)構(gòu)進行分析。在理論上預(yù)測了一種具有較低總能量的硼平面結(jié)構(gòu)(struc-a)，其總能量僅僅比?硼平面結(jié)構(gòu)高0.01 eV/atom。硼平面結(jié)

3、構(gòu)分析結(jié)果表明可以按照六角晶格空洞密度?對硼平面結(jié)構(gòu)進行分類，當(dāng)?值的分子為1時：?≥1/7時，除struc-1/4結(jié)構(gòu)以外，最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是六角晶格和三角晶格豎排的結(jié)構(gòu)；?≤1/8 時，最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是單個六角晶格在三角晶格中均勻分布的結(jié)構(gòu)。當(dāng)?值的分子不為1時：?≥3/19時，最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是3個以邊相連六角晶格分布的結(jié)構(gòu)；?≤2/13時，最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是2個以邊相連的六角格子分布的結(jié)構(gòu)。電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明這 40 余種能量相對較低的硼平

4、面結(jié)構(gòu)都具有金屬性，并使用電子局域函數(shù)對能量相對較低的 5 個硼平面結(jié)構(gòu)(α、struc-a、struc-1/8、struc-2/15 和?硼平面結(jié)構(gòu))進行了價鍵分析。
　　將α硼平面結(jié)構(gòu)和struc-a硼平面結(jié)構(gòu)沿不同方向切割可以得到不同類型的硼納米帶結(jié)構(gòu)。按照硼納米帶邊緣的形狀可以將其分為扶手椅型、直線型和鋸齒型三種類型。硼納米帶寬度較小的時候，這些硼納米帶均具有較高的能量；但隨著納米帶寬度增加，其總能量也逐漸降低，最后趨近

5、于一個固定能量值?？偰芰坑嬎憬Y(jié)果表明，基于?和struc-a硼平面結(jié)構(gòu)構(gòu)造的硼納米帶中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)均是邊緣為雙鏈的直線型納米帶。電子結(jié)構(gòu)分析表明這些硼納米帶結(jié)構(gòu)都具有金屬性質(zhì)。
　　將能量相對較低的5種硼平面結(jié)構(gòu)(α、struc-a、struc-1/8、struc-2/15和?硼平面結(jié)構(gòu))沿不同方向卷曲后可以得到鋸齒型或扶手椅型的硼納米管。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硼納米管直徑較小時，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變形比較大，隨著硼納米管直徑逐漸增大，硼

6、納米管的結(jié)構(gòu)變形則逐漸減小。鋸齒型和扶手椅型硼納米管在管徑較小時存在明顯的能量差異，隨著管徑徑逐漸增大，它們之間的能量差異逐漸減小，最后趨近于同一個固定值。硼納米管總能量的比較結(jié)果表明，在管徑較小時(1 nm左右)能量最低的是基于struc-a平面結(jié)構(gòu)構(gòu)造的扶手椅型硼納米管，而管徑較大時(2 nm左右)則是基于struc-1/8硼平面結(jié)構(gòu)構(gòu)造的鋸型型硼納米管的能量較低。電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明，所研究的硼納米管絕大多數(shù)具有金屬性，僅有部分硼