原子尺度下金属、半导体纳米材料结构演化与热力学性质研究

摘要

纳米尺度下，材料的结构演化、热学性质与宏观尺度都有较大差异，探索纳米材料的生长机理对于实现纳米材料的可控生长具有重要的意义。纳米材料在生长、组装及应用过程中，都伴随着结构演化，热力学性质等的变化，研究这些现象反过来可以为纳米材料生长和纳米材料的属性等提供机理解释。本论文使用蒙特卡洛方法研究了金属、半导体纳米材料的结构演化与热力学性质，主要的研究内容概括为以下三个部分：
　　第一，研究了衬底支撑的Zn团簇、薄膜结构演化对ZnO纳米结构生长的影响。许多制备ZnO纳米结构的微观过程是以Zn原子聚集体为凝结核逐渐生长起来的，Zn原子聚集体最初的形状、分布及密度等对后续ZnO纳米结构的生长起着重要的作用。本论文研究了Zn团簇在Si(001)和石墨烯衬底上的结构演化，Zn薄膜在Si(001)、石墨烯和石墨烯/Si(001)衬底上的结构演化，并讨论了Zn原子分布对后续ZnO纳米结构生长的影响。模拟发现随着温度的升高，Zn团簇在Si(001)衬底上逐渐形成无序的、分散的小聚集体。以此为凝结核生长ZnO纳米结构，容易生长出随机取向和多样式的ZnO纳米结构，此模拟结果为在Si衬底上容易制备出随机取向和多样式的ZnO纳米结构提供了一个原子尺度解释。在石墨烯衬底上，Zn团簇随温度升高，会逐渐形成均匀、高密度分布的Zn单原子层。这相当于提供了有序的、高密度的ZnO纳米结构生长凝结核；但温度再升高，则Zn单原子层破裂，凝结核密度分布降低。模拟展示了在石墨烯衬底上较低温度时可以生长出高密度、有序的ZnO纳米线，而在相对高的温度时可以生长出低密度、有序的ZnO纳米线。另一方面，我们发现Zn原子在Si(001)衬底上的薄膜结构中，尤其是靠近Si(001)衬底的Zn原子，其排列的结构趋近于Si(001)本身的结构，而在石墨烯衬底或者石墨烯/Si(001)衬底上的Zn薄膜中，Zn原子的排列方式受石墨烯结构影响较大，由于石墨烯规则的六角平面结构，Zn原子的排列方式趋近于六角密堆积结构。这进一步展示了在Si衬底上ZnO纳米结构的生长易趋于无序性，而同时再次证明石墨烯是制备有序和规则ZnO纳米结构的优良缓冲层。
　　第二，研究了过渡金属与碳纳米管的相互作用。在制备和组装纳米器件过程中，碳纳米管与过渡金属的混合使用是常见的。探索碳纳米管与过渡金属的相互作用效果，对于构建优良的碳纳米管与过渡金属器件，形成良好的互连、并理解互连的属性是有重要意义的。论文这部分首先是比较研究了镍、铜、铂和金四种过渡金属原子分别与碳纳米管的填充、聚集和包裹作用效果。模拟发现它们的不同作用效果与过渡金属原子之间的作用强弱有关、与碳纳米管的直径大小有关、与过渡金属原子和碳原子之间的作用强弱有关。在碳纳米管直径较大时，四种过渡金属都能与碳纳米管之间形成较好的填充效果；随着碳纳米管直径逐渐减小，铂原子与金原子首先在碳纳米管外面出现聚集效果，而镍原子与铜原子的聚集效果出现在更小直径的碳纳米管外面；当碳纳米管直径减小到一定程度时，铂原子与金原子出现包裹碳纳米管的趋势，再增加过渡原子的数目，能明显得到铂原子与金原子包裹碳纳米管的效果，镍原子和铜原子则不出现包裹效果，增加原子数目也仅仅是使得聚集在碳纳米管外面的金属团簇更大。由此可知，在与碳纳米管相互作用时，铂原子和金原子比镍原子和铜原子有更好的浸润效果，连接效果更为优良。接下来，研究了碳纳米管对镍铜合金纳米棒结构的影响，模拟发现镍铜混合原子在碳纳米管中形成同轴的圆柱层状纳米棒，铜原子趋向于分布在棒的外层，镍原子分布在内层；去掉碳纳米管之后，合金纳米棒演化为一个镍核铜壳的团簇；利用键对分析技术显示合金纳米棒和合金团簇具有短程的结构有序，总体仍然是无定形结构。
　　第三，研究了金属纳米线焊接及团簇烧结的动力学与热力学稳定性。纳米材料的研究及应用导致了很多技术的革新，焊接与烧结技术从宏观领域应用到纳米尺度领域，由于量子尺寸等效应，很多的机理发生了变化。论文这部分首先研究了具有不同初始连接方式(头对头、头对边和边对边)的两金纳米线焊接接口处结构演化效果，模拟发现温度和初始构型对焊接效果有重要影响。在温度较低时，三种连接方式都能在接口处形成较为光滑的连接；而当温度升高时，接口处变形显示出较大区别，头对头的连接方式最容易出现接口熔化甚至断开，头对边的连接方式接口构型最稳定，熔点也最高。接着，论文构建了两个两团簇模型：Ag55和Ag56，Ag55和Ag96；一个三团簇模型：Ag55、Ag13和Ag56。每一个模型中有多种初始的排列方式，然后进行升温模拟团簇之间的烧结效果，模拟过程中考察烧结形成的“脖子”成长情况，团簇之间质心的距离变化情况，烧结体系的热力学稳定性情况等，研究发现由于银团簇的初始排列方式不同，其烧结效果稳定性是不同的。
　　论文第一章简要介绍了金属团簇、纳米线和半导体纳米材料的制备方法，它们的结构演化、热力学性质和应用研究现状，给出了本文开展原子尺度研究的意义。第二章着重讨论了本论文所使用的计算机模拟方法，包括蒙特卡洛方法的主要思想、正则系综蒙特卡洛方法的具体实施步骤、本论文所研究对象的原子间相互作用势函数及相关参数。另外总结了计算编程中的模拟细节和本论文获取模拟数据信息的一些物理量的计算方法。