運(yùn)動(dòng)帶電粒子與納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用尾流效應(yīng)和溝道過程的研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)的材料具有獨(dú)特的電學(xué)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、光學(xué)特性，直接涉及到電子、計(jì)算機(jī)、通訊、生物醫(yī)藥、能源、環(huán)境等諸多領(lǐng)域，是現(xiàn)代材料學(xué)和物理學(xué)的前沿課題。特別是，研究運(yùn)動(dòng)帶電粒子與納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)相互作用過程，可以有效促進(jìn)離子束表面改性、離子束注入、納米器件的沉積與制備等技術(shù)的發(fā)展。例如，碳納米管優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電學(xué)性質(zhì)，不斷吸引人們采用碳納米管輸運(yùn)帶電粒子束，實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的粒子束控制技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射技術(shù)。其次，由于金屬納米制造技術(shù)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的快

2、速發(fā)展，促使研究者們探索由運(yùn)動(dòng)離子引起的納米結(jié)構(gòu)金屬的激發(fā)現(xiàn)象。另外，在納米尺度內(nèi)研究帶電粒子與粗糙的金屬表面相互作用引起的尾流效應(yīng)，可以從能量分布角度進(jìn)行定量的測(cè)量和分析，從而獲得金屬物質(zhì)的詳細(xì)信息。
　　由于外來(lái)離子的入射，金屬表面或體內(nèi)電子容易受激發(fā)，產(chǎn)生感應(yīng)電荷密度和空間感應(yīng)電勢(shì)的尾流效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)入射離子產(chǎn)生橫向阻止力及縱向鏡像力等，影響入射離子的運(yùn)動(dòng)。因此，金屬材料表面及體內(nèi)電子的激發(fā)尾流效應(yīng)與入射離子的運(yùn)動(dòng)過程密切相關(guān)

3、。本文模擬計(jì)算了攜能為keV～MeV的帶電粒子在碳納米管內(nèi)的溝道過程，并研究了帶電粒子與納米結(jié)構(gòu)的金屬板和納米級(jí)粗糙的金屬表面相互作用引起的尾流效應(yīng)。具體章節(jié)安排如下:
　　在第二章中，首先介紹了與碳納米管能帶特點(diǎn)和具體幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的理論模型:采用半經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)模型和線性介電響應(yīng)理論相結(jié)合的方法，研究了具有不同能帶結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管(SWCNT)管壁電子的極化效應(yīng)對(duì)帶電離子的影響;當(dāng)運(yùn)動(dòng)離子足夠接近管壁碳原子時(shí)，利用分子動(dòng)力學(xué)方法

4、(MD)模擬帶電離子與碳原子之間的多體相互作用。其中采用REBO勢(shì)描述原子之間的相互作用勢(shì)，其沿納米管半徑方向呈先吸引后排斥作用。在極化引力勢(shì)和近距離的REBO勢(shì)共同作用下，結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)離子在碳納米管內(nèi)被管壁連續(xù)反射:當(dāng)處于總勢(shì)能勢(shì)阱位置附近時(shí)，運(yùn)動(dòng)離子呈小角度反射的螺旋狀前進(jìn);遠(yuǎn)離勢(shì)阱時(shí)，以大角度的反射前進(jìn)，并很有可能穿透管壁運(yùn)動(dòng)出去。此溝道過程與運(yùn)動(dòng)離子的初始條件相關(guān)。此外，通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)離子的能量損失，估算能量為56.25keV的

5、入射氫離子最遠(yuǎn)可以穿過長(zhǎng)度約為10μm的SWCNT。以上這些結(jié)論，為碳納米管粒子束技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)提供了一定的理論依據(jù)。最后，本章還比較了入射離子分別對(duì)單、雙壁碳納米管(2WCNTs)管壁電子尾流效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)2WCNTs和具有相同外壁半徑SWCNT相比，由于內(nèi)壁的存在使外壁的尾流效應(yīng)更加明顯。
　　在第三章中，利用量子流體動(dòng)力學(xué)(QHD)模型，研究了帶電粒子在納米結(jié)構(gòu)的金屬板內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的尾流效應(yīng)。QHD模型中，電子氣擾動(dòng)的量子

6、效應(yīng)表現(xiàn)在同時(shí)考慮壓強(qiáng)項(xiàng)和Bohm量子勢(shì)對(duì)感應(yīng)電荷密度的梯度修正，因此感應(yīng)電荷密度方程變得相對(duì)復(fù)雜。為了得到感應(yīng)電荷密度和感應(yīng)電勢(shì)，本章引入了符合物理意義的兩組邊界條件——Bohm量子勢(shì)或者Bohm力的垂直分量在邊界處為零。結(jié)果表明，不同邊界條件的選擇只影響帶電離子較遠(yuǎn)位置處的尾流電勢(shì)。此外，通過比較QHD模型和經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)(SHD)模型，發(fā)現(xiàn)在入射離子附近和遠(yuǎn)離入射離子的位置處觀察，兩種模型得到的尾流電勢(shì)區(qū)別較明顯，這是由于SHD模

7、型中電子的量子效應(yīng)只體現(xiàn)在Thomas-Fermi壓強(qiáng)項(xiàng)上，而QHD模型還考慮了Bohm量子勢(shì)的影響。并且，對(duì)于越薄的金屬板，或者入射離子的速度越接近金屬板集體激發(fā)時(shí)的臨界速度，尾流電勢(shì)的區(qū)別越容易觀察到。最后，和局域流體動(dòng)力學(xué)(LHD)模型相比，由于QHD模型和SHD模型考慮了電子的量子效應(yīng)，尾流電勢(shì)和阻止本領(lǐng)的值明顯被降低。以上結(jié)果，特別是不同邊界條件的選擇，對(duì)于研究入射粒子與金屬板等相關(guān)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用引起的非局域效應(yīng)，具有一

8、定的參考價(jià)值。
　　在第四章中，應(yīng)用格林函數(shù)結(jié)合微擾理論的方法描述納米級(jí)粗糙金屬表面的介電響應(yīng)形式，研究了不同粗糙程度的表面對(duì)單離子或雙離子入射時(shí)尾流效應(yīng)的影響。粗糙程度在納米量級(jí)的金屬表面用隨機(jī)理論表示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單個(gè)離子入射到金屬表面上時(shí)，粗糙表面加強(qiáng)了金屬的尾流效應(yīng)，使尾流電勢(shì)、入射離子的自能和阻止本領(lǐng)的值都得到不同程度地增強(qiáng)。當(dāng)兩個(gè)具有一定距離的離子同時(shí)入射到金屬表面上時(shí)，粗糙的表面對(duì)離子之間的屏蔽相互作用能影響較小，而