第一性原理在纳米颗粒异相形核生长及相转变中的应用

摘要

纳米科技作为一门具有交叉性和前沿性的新型学科，将对微电子技术、材料、能源和医学等众多领域起到不可估量的推动作用，而纳米材料的合成和性质研究则是重中之重。随着研究手段的日趋丰富，基于密度泛函理论的第一性原理计算机模拟技术已经越来越多的被用作纳米材料的辅助研究手段。与普通实验手段相比较，计算机模拟技术能够深入理解纳米材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征，将会为纳米材料的研究带来变革。本论文将实验与计算机模拟相结合，针对实际实验中出现的一些不易解释和较为特殊的现象，设计并进行了第一性原理的计算机模拟实验，期望以此来解释实验现象并为其提出指导建议，为这些方面的工作做出了有益的尝试。　　第一部分，我们针对Fe3O4-CdSe复合颗粒制备中遇到的CdSe异相形核生长问题做出了研究。通过实验发现，不同配体类型OA/OAm/NaOL影响了CdSe在Fe3O4种晶表面的异相形核数量。而当采用球形/方形Fe3O4种晶时，CdSe在方形种晶表面的生长呈现出一定的优先选择性：优先选择六面体顶角位置，其次是棱边位置，最后是种晶的体表面；相对的，球形种晶则没有出现类似情况。针对这些现象，我们计算了配体OA/OAm/NaOL在Fe3O4低指数面上的吸附能力，发现配体与与Cd、Se前体存在一个竞争吸附的过程，即结合能力强的配体阻碍 CdSe的异质生长。接下来通过对Fe3O4和CdSe晶体不同晶面组的晶格错配计算以及前体Se原子在种晶表面吸附能力的模拟计算，结合晶体表面曲率和表面缺陷，对CdSe的选择性生长现象进行了解释，并且从能量的角度对整个 Fe3O4-CdSe复合颗粒的生长过程进行了阐述。　　第二部分，我们将研究内容锁定为红外上转换基质材料 NaYF4纳米颗粒的制备及其相转变控制。为了有效合成上转换效率更高的β-NaYF4，我们从他人的工作中得到了启发，尝试使用NaOL部分代替OA作为纳米颗粒的表面配体。为了对实验进行对应的预测，我们首先利用第一性原理计算模拟了OA以及 NaOL与α-NaYF4低指数{100}面的相互作用，包括了配体在表面的吸附能计算和吸附表面的电子结构模拟。发现油酸钠解离出的油酸根离子会对Y3+产生了选择性的吸附，该过程将有可能改变立方相中原本的Y3+的随机排布情况，而是更加接近六方相的Y3+排布规律，从而减少正离子重排所需的能量，直接降低相转变能垒。以此模拟实验为指导，我们设计了β-NaYF4纳米颗粒的合成实验，证实了在适当的油酸钠使用量情况下，的确能够在极短的保温时间内（5min）得到尺寸小、粒径分布好的纯β-NaYF4纳米颗粒，因此强配体 NaOL对NaYF4由立方相向六方相的转变有着促进的作用，为该种上转换材料的相转变控制机理提出了合理的解释。

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第一章 绪论

1.1 纳米科技与纳米材料

1.2 纳米材料的合成与制备

1.3 计算原理和方法：密度泛函理论

1.4 密度泛函理论在纳米材料领域的应用

1.5 本论文研究目的及内容

参考文献

第二章 Fe3O4-CdSe复合纳米颗粒的合成研究

2.1 研究背景

2.2 Fe3O4-CdSe复合纳米颗粒的合成制备

2.3 实验结果与讨论

2.4 计算机模拟及结果讨论

2.5本章小结

参考文献

第三章 强配体NaOL对NaYF4纳米颗粒的相转变控制

3.1 研究背景

3.2 计算机模拟及结果讨论

3.3 NaYF4纳米颗粒相转变机理的实验验证

3.4 本章小结

参考文献

第四章 全文总结

附录

1. Materials Studio计算软件简介

2. Dmol3模块简介

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的论文

致谢

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