硅探针纳米级摩擦的分子动力学及Pb薄膜量子尺寸效应的第一性原理研究

摘要

本论文为为两个部分.第一,采用分子动力学方法研究了Si探针与衬底之间的纳米级摩擦行为;第二,采用基于密度泛函的第一性原理计算方法,对Pb薄膜量子尺寸效应进行了研究. 第一部分:采用分子动力学方法研究了Si探针与衬底之间的粘着滑动到持续稳定滑动的转变规律.衬底被设计成Si(001)2x1结构.Si探针选取于Si(111).探针的最顶端原子被固定在Z方向内不能移动,衬底的最底层部分的原子被完全固定不动.在Si探针滑动过程中,随着Si探针顶端的原子的磨损,可以显现出粘着滑动到持续稳定滑动的转变规律.我们选择探针与衬底之间相离间距变化范围为2.5A-3.5A,间隔为0.1A,探针运动的速度分为10m/s、20m/s和30m/s,作为考察粘着滑动到持续稳定滑动的转变规律的模型.探针与衬底接触不同位置的摩擦行为,将有所不同.探针顶点位于衬底dimer原子的正上方时,存在2.7A和3.1A的相离间距,保持在衬底上粘着滑动,对探针顶点位于衬底dimer原子之间时,存在3.0 A和3.1 A的相离间距,保持在衬底上粘着滑动,这些持续的粘着滑动,均与速度的大小无关. 第二部分:采用基于密度泛函的第一性原理计算方法,对Pb薄膜量子尺寸效应两个重要方面:内层弛豫和电子密度在真空层衰减长度的进行了研究.在内层弛豫方面,证实了与层间电子密度变化的一致性,给出了三个指数面[111]、[110]、[100]的薄膜内层弛豫层间距相对于bulk的理想间距的百分数的标准偏差SD随薄膜厚度的震荡关系.发现从[111]、[100]到[110]弛豫程度逐渐增强.也通过第一性原理方法对电子密度在真空层衰减长度的量子尺寸效应进行研究,发现存在随着薄膜的厚度Pb(111)薄膜的两层模式和Pb(110)薄膜的三层模式的震荡的现象.也发现了电子密度在真空层衰减长度和功函数随薄膜厚度的震荡保持基本的一致性.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1纳米摩擦

1.1.1简述

1.1.2纳米摩擦研究方法

1.2纳米薄膜

1.2.1纳米薄膜简述

1.2.2纳米薄膜的性能

1.2.3纳米薄膜研究方法

1.3本论文研究内容

第二章基本理论和研究方法

2.1分子动力学方法

2.1.1概述

2.1.2周期性边界条件

2.1.3基本方程和算法

2.1.4原子间相互作用势

2.1.5多粒子体系的模拟

2.1.6模拟过程

2.1.7分子动力学程序(XMD)介绍

2.1.8分子动力学方法综述

2.2基于密度泛函的第一性原理方法

2.2.1密度泛函理论基本概念

2.2.2局域密度近似(LDA)

2.2.3广义梯度近似(GGA)

2.2.4正交化平面波方法

2.2.5赝势方法

2.2.6第一性原理计算软件包VASP介绍

第三章Si探针在Si(001)2x1表面上粘着滑动到持续稳定滑动的转变

3.1介绍

3.2模型与计算方法

3.3模拟结果与讨论

3.4本章小结

第四章Pb薄膜量子尺寸效应的第一性原理研究

4.1介绍

4.2模型与计算方法

4.3模拟结果与讨论

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

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