氧化物納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計及電學(xué)特性.pdf

1、納米氧化鋅是帶寬3.37eV的寬帶半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性引起了人們的極大關(guān)注，在太陽能電池，傳感器，光催化材料，量子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于量子尺寸效應(yīng)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)(包括納米團(tuán)簇、納米線、納米管和納米帶等)具有與塊體材料不同的性質(zhì)，從而為調(diào)控其物理化學(xué)特性提供了新的途徑。關(guān)于氧化鋅納米團(tuán)簇的研究尤為重要，不僅為氧化鋅納米團(tuán)簇的生長和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，同時也有助于理解氧化鋅納米生長機(jī)制。 本文采用分子動力學(xué)

2、模擬與密度泛函理論計算相結(jié)合的方法，研究了不同尺寸的氧化鋅(ZnO)n團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電子學(xué)特性，并針對幾個特定尺寸的氧化鋅團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時對管狀和鏈?zhǔn)降难趸\團(tuán)簇的能量和電子特性進(jìn)行初步的探討，具體的內(nèi)容如下： 1.采用分類與基元相結(jié)合的方法，設(shè)計和構(gòu)造了大量的氧化鋅團(tuán)簇的初始構(gòu)型，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到了n=2.48范圍內(nèi)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并研究了氧化鋅團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模式、形成能和電子結(jié)構(gòu)隨團(tuán)簇尺寸的變化關(guān)

3、系。得到了以下的結(jié)論：1)團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模式與團(tuán)簇的尺寸密切相關(guān)，根據(jù)結(jié)構(gòu)模式的變化規(guī)律，可以劃分為三個區(qū)域，即當(dāng)n=2.7，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模式是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形成能隨尺寸增大急劇下降；在n=7.12的尺寸范圍屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)到籠狀結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，形成能隨團(tuán)簇的尺寸發(fā)生振蕩；當(dāng)n≥13，團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模式是籠狀結(jié)構(gòu)，形成能隨尺寸的變化趨于平緩。2)籠狀結(jié)構(gòu)由Zn-O四邊形、六邊形和八邊形組成，其中的原子具有三配位結(jié)構(gòu)，即每個原子和周圍的三個原子相連，四

4、邊形、六邊形和八邊形的數(shù)目滿足歐拉定理。3)團(tuán)簇的能隙(HOMO-LUMO gap)隨團(tuán)簇尺寸的增加發(fā)生振蕩。 2.對n=12，16和24的團(tuán)簇的可能的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，在計算過程中充分考慮了各種可能的異構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)八邊形的引入降低了團(tuán)簇的穩(wěn)定性，而由四邊形和六邊形組成的結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性。 3.對管狀氧化鋅團(tuán)簇的研究表明：團(tuán)簇中原子(端部原子除外)呈現(xiàn)四配位結(jié)構(gòu)，即每個原子和周圍的四個原子相連。六邊形管狀結(jié)構(gòu)