《納米金剛石的結構穩定性和電子性質的理論研究》是依託華南理工大學，由楊小寶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米金剛石的結構穩定性和電子性質的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊小寶
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米金剛石，由於其性能優異和套用廣泛，一直受到關注。研究表明，納米金剛石的電子性質和其尺寸以及結構細節（對稱性、表面原子排列）等密切相關。本項目是一項理論計算研究，我們擬採用參數模型和第一原理方法對納米金剛石的結構穩定性和電子性質進行研究：（1）採用有效相互作用的參數模型(effective model)來描述納米金剛石的結合能，並搜尋和確定可能的穩定結構，研究環境溫度、壓強等因素對表面氫原子化學勢的調製，及其對納米金剛石的尺寸和對稱性的影響；（2）運用第一原理方法著重研究穩定的納米金剛石的電子性質，研究對稱性和表面重構等結構細節對體系電子性質（包括能隙以及電荷空間分布等）的影響；（3）運用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法研究納米金剛石的生長過程，關注溫度、熵對體系結構穩定性的影響，為實驗上通過溫度對體系結構和特性進行調整和設計提供參考。
結題摘要
本項目的研究的主要內容是納米金剛石的結構穩定性和電子性質，包括不同原子修飾對結構穩定性和電子性質的調製以及環境溫度對體系穩定性的影響等。項目進展順利，基本完成申請書中的相應計畫，取得了較好的成果，具體如下： （1）我們建立了有效作用的模型進行結構搜尋。在納米金剛石中碳碳成鍵和碳氫成鍵都屬於局域的共價鍵，碳碳鍵能和碳氫鍵能是總能最重要的組成部分；納米金剛石結構的結合能和體系的氫碳原子比率有線性關係，這個和我們的第一原理計算符合的非常好。通過模型分析，我們發現表面的氫原子的化學勢對體系的結構穩定性起著關鍵作用。存在臨界的氫化學勢，在氫化學勢低於臨界值，給定碳原子數目的量子點穩定結構是氫原子最少的結構，反之，氫原子越多越穩定。給定的碳原子數目體系，氫原子的最大數目可以飽和烷烴的公式直接得到；為了尋找最小的氫原子數目，我們利用晶格上的隨機行走來獲得。在之前的實驗報導中，納米金剛石的表面都是氫飽和，表面由（111）晶面組成，對應的都是氫原子數目較少的情況，和我們的計算符合的很好。 （2）我們研究了表面結構對體系性質的影響。硫吸附的納米金剛石的帶隙可以很好的調控。我們使用Wang-Landau方法，用硫原子的數目和氫原子的數目來區分不同的結構，並允許在金剛石晶格中等幾率的訪問不同的不等價結構，搜尋到了表面由(100)和(111)晶面組合的結構。在氫和硫不同的化學勢下，我們通過相圖確定了不同條件下的穩定結構，並研究了硫對結構穩定性以及電子性質的影響。與碳同族的元素矽，我們發現表面存在兩類重要的重構，(100)二聚重構和(111)台階重構，可以使氫的比率進一步下降；隨著氫化學勢的升高，體系的表面逐漸從(111)台階重構過渡到(100)二聚重構，最後成為不重構表面；隨著矽原子數目的增加，對應的不同重構表面的氫原子化學勢區間也有所變化。 （3）我們研究了溫度對納米體系結構穩定性的影響。比如氟原子可以促進矽原子的表面偏析並對體系的形狀和尺寸進行調製，我們考慮了混合熵對體系自由能的影響，通過微粒群最佳化的方法得到了不同溫度下矽鍺原子的空間分布；對於碲納米結構，我們建立了基於范德華相互作用的鍵能模型，通過Wang-Landau方法計算了不同形狀納米結構的構型熵，研究了不同溫度下納米結構形狀的演化，並和實驗符合。我們正在將相應的方法套用於研究不同溫度下納米金剛石的結構演化。
