薄膜量子尺寸效应及纳米储氢材料的理论研究

摘要

新型纳米材料的研究与开发是当今材料研究领域的热点，一方面人们不断的发现新型纳米材料，观察其表现出的奇异性质，试图揭示其背后的物理规律并探索未来的潜在应用;另一方面又根据现有的理论和技术条件，以需求为导向，有目的的设计开发具有特殊性质的新型纳米材料。
　　在材料的特性研究方面，对于纳米材料，尺寸对其稳定性以及性质有着至关重要的影响，由于其特殊的尺寸和结构使其性质明显区别于块体。其中量子尺寸效应对金属纳米结构尤其是金属薄膜的形成和特性的影响又显得尤为突出，受到理论和实验的广泛深入关注。对于只有几个或几十个原子层厚的金属薄膜，由于界面的电子禁闭作用，电子的运动在薄膜的生长方向上受到限制，系统的能量不再随薄膜的厚度连续变化，而是表现出量子化的离散特性。这样一来，在薄膜的生长过程中，在一定的条件下量子化的薄膜能量和稳定性又能在原子层次调制薄膜的几何结构。同时，量子尺寸效应也能调制薄膜的电子结构，从而调制其相关的物理和化学特性，使得人们有可能在原子层次精确的控制薄膜的生长与特性。
　　在众多金属纳米材料中，Pb(111)超薄膜备受关注，一方面铅是软金属，另一方面，对于Pb(111)超薄膜，其层间距和生长方向上的费米波长匹配的很好，量子尺寸效应对其生长和特性的调制都较为明显。现在已经有许多理论和实验工作在其生长、稳定性、晶格弛豫、超导、热膨胀以及化学反应等方面取得了很多成果。我们关注的是与化学反应紧密相关的电子密度衰减长度的量子尺寸效应。另外，除了传统的金属或合金薄膜外，最近的实验研究在化合物的量子尺寸效应方面也取得了一定的进展，发现在Si(111)衬底上CoSi2(111)薄膜的生长不是连续的，只有特定厚度的薄膜才能在退火后保持稳定，这需要相关的理论工作来验证并从理论上解释其背后的物理机制。
　　在新型纳米材料的设计和开发方面，新型储氢材料的开发也是一个受到广泛关注的问题。为应对日益严重的能源危机和环境污染问题，新能源的开发和利用日益紧迫，氢能作为一种可循环、无污染、效率高的能源备受关注。在氢能的实际应用中，一个重大的挑战就是要找到一种安全、高效的方法来存储氢气，要求这种方法具有较高的储氢质量比、体积比，可以在室温下工作，并且比较廉价，便于商业利用。为此我们通过第一性原理计算研究了Li和Ti修饰的环硼氮烷以及Li和Na共同修饰的碳氮纳米管的储氢性能。
　　在本论文的第三部分，我们研究了量子尺寸效应对铅薄膜在化学反应方面的调制作用。我们利用第一性原理方法计算了不同厚度的自由Pb(111)薄膜以及生长在Si(111)衬底上的Pb(111)薄膜的电子密度衰减长度以及积分态密度随薄膜厚度的变化情况。我们发现与稳定性和功函数类似，电子密度衰减长度以及费米能级附近的积分态密度也表现出双层振荡的量子尺寸效应，且这种振荡被转变点所打断，即存在拍频现象，拍频周期为9个单原子层。Pb(111)/Si(111)薄膜的物理性质的振荡行为与无衬底的自由Pb(111)薄膜的振荡行为有所不同，存在一定的相移，这是由于衬底造成的。我们的计算结果与薛其坤小组的实验结果一致。
　　在第四部分，我们研究了CoSi2超薄膜的稳定性和层间弛豫与薄膜厚度之间的关系。我们的研究结果显示无论是自由的CoSi2(111)超薄膜还是沉积在Si(111)衬底上的CoSi2(111)超薄膜，他们的稳定性和层间弛豫都呈现出一种三层振荡的模式，与最近的实验结果相一致。我们还预言了自由CoSi2(100)薄膜的稳定性表现出双层振荡的模式，这有待于未来的实验证实。这种稳定性以及层间弛豫与薄膜厚度之间的振荡的依赖关系可以用量子尺寸效应来理解，在沿CoSi2(111)和CoSi2(100)的生长方向，其费米面非常平坦，以至于沿该方向的费米面片段表现出强烈的嵌套。由于费米面的嵌套，除了金属和合金之外，量子尺寸效应也强烈的影响CoSi2薄膜的稳定性和层间弛豫。我们的研究为控制稳定均匀的过渡金属硅化物薄膜的生长提供了一种新的方法，可以在电子工业中提高器件的性能。
　　在第五部分，我们研究了碱金属、碱土金属、过渡金属修饰的环硼氮烷的储氢性能。结果表明碱金属可以和无机分子环硼氮烷紧密结合，尤其是Li修饰的环硼氮烷，表现出很好的储氢性能，其质量比达到10.4wt％，氢分子的吸附能处于0.10～0.15eV/H2之间(LDA的计算结果在0.23～0.28eV/H2之间），适合于在接近室温的条件下储存和释放氢气。我们还发现Ti修饰的环硼氮烷的储氢质量比大约为7.2wt％，略低于Li修饰的环硼氮烷的储氢能力，但由于Kubas相互作用，其吸附能处于0.16～0.24eV/H2之间，大于Li修饰的环硼氮烷。因此该系统也适合于在室温条件下储存和释放氢气。
　　在第六部分，我们研究了Li和Na共同修饰的碳氮纳米管的储氢性能。研究发现由于Li和Na原子与碳氮纳米管之间的结合很强，因此金属原子不会变成团簇。通过静电相互作用，平均每个Li原子上可以吸附两个氢分子，平均每个Na原子上可以吸附四个氢分子，因此系统的储氢质量比达到9.09wt％，平均吸附能为0.22eV/H2(考虑范德瓦尔斯作用的GGA计算结果为大约0.17eV/H2)，该系统也可以在室温下储存和释放氢气。

目录

声明

摘要

图表清单

1 引言

1．1 计算材料科学简介

1．2 金属薄膜的量子尺寸效应

1．2．1 电子生长与量子尺寸效应

1．2．2 Pb(111)薄膜的量子阱态及其量子尺寸效应

1．3 CoSi2及其量子尺寸效应

1．4 储氢材料简介

1．4．1 碱金属修饰的碳纳米结构的储氢性能

1．4．2 过渡金属修饰的碳纳米结构的储氢性能

1．4．3 金属修饰的分子的储氢性能

1．5 本文主要内容

2 第一性原理计算方法

2．1 密度泛函理论

2．2 能量和结构的自洽计算

2．3 Vienna Ab-initio Simulation Package

3 第一性原理计算铅薄膜的电子密度衰减长度

3．1 背景介绍

3．2 计算方法

3．3 计算结果

3．3．1 自由Pb(111)薄膜的电子密度衰减长度

3．3．2 生长在Si(111)衬底上的Pb(111)薄膜的电子密度衰减长度

结论

4 过渡金属硅化物超薄膜的量子尺寸效应

4．1 背景介绍

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 自由CoSi2(111)薄膜的量子尺寸效应

4．3．2 沉积在衬底上的CoSi2(111)薄膜

4．3．3 自由CoSi2(100)薄膜

4．3．4 CoSi2薄膜的量子尺寸效应的机制

4．5 结论

5 Li与Ti修饰的环硼氮烷的储氢性能

5．1 背景

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 碱金属(Li，Na，K)，碱土金属(Be，Mg，Ca)，或Ti修饰的环硼氮烷

5．3．2 在金属修饰的环硼氮烷上吸附一个氢分子

5．3．3 氢存储于锂和钛修饰的环硼氮烷

5．3．4 金属修饰的环硼氮烷之间的相互作用——是否形成团簇

5．4 结论

6 Li和Na共同修饰的碳氮纳米管的储氢性能研究

6．1 研究背景

6．2 计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 Li和Na在CNNT上的吸附

6．3．2 氢分子在Li和Na共同修饰的CNNT系统上的吸附

6．3．3 氢分子和修饰的金属原子之间的相互作用的机制

6．3．4 金属原子在CNNT表面的扩散——是否发生团聚

6．4．结论

7 总结及展望

参考文献

在学期间发表的学术论文和研究成果

致谢