纳米材料研究应用案例

时间:2014-04-03

氟化单壁硅碳纳米管的密度泛函研究

Reference: J. Phys. Chem. C 116, 1702 (2012) 
所用模块:DMol3
      准一维碳纳米管(CNTs)的物理性能独特,在储氢、复合材料、纳米电子学等领域具有广泛应用。剪裁和控制纳米材料的电子性质能够满足人们的多种需要。香港大学的研究人员研究了F化碳硅纳米管(SiCNTs)的微观结构以及电子学和磁学性能,发现对于(8, 0)和(6, 6) SiCNTs而言,F原子倾向于吸附在Si位上,导致费米面的下移,同时产生自发磁矩。此研究对调整SiCNTs的电子学和磁学性质提供了新的思路。
 
图1. (a) SiCNT (8, 0)的靠近F-Si-C吸附位的局部图;(b) F-Si-C 吸附组态的DOS和PDOS 图 
 
 
 
外电场作用下石墨烯由疏水到亲水的可逆转换
Reference: J. Phys. Chem. C 116, 19321 (2012) 
所用模块:DMol3
      石墨烯由于独特的物理性质,引起人们的广泛关注。理论和实验结果表明石墨烯是疏水的。疏水的石墨烯表面能够减少可能的液体沉积,阻止先进的纳米机电系统的污染。石墨烯疏水到亲水的可逆转换引起了人们的浓厚兴趣。调控电场是改变材料表面润湿特性的有效手段。吉林大学的研究人员使用第一性原理的方法研究了垂直电场在石墨烯从疏水到亲水的可逆转换过程中的催化作用。结果表明在水气存在的情况下电场可以作为一个开关可逆的调控石墨烯的疏水和亲水特性。
 
图1 石墨烯在不同的电场作用下H2O的解离吸附
 
 
 
T型石墨烯的结构和电子特性的研究
Reference: 1. Phys. Rev. Lett. 108, 225505 (2012)
                   2. Phys. Rev. Lett. 110, 029603 (2013)
                   3. Phys. Rev. Lett. 110, 029604 (2013)
                   4. Phys. Rev. Lett. 110, 029602 (2013)
所用模块:CASTEP
      令人惊奇的两维碳同素异形体石墨烯,具有很多独特的性质,例如:半整数量子霍尔效应、恒定传导率、无质量载流子等。中科院物理所研究人员使用第一性原理的方法研究了两维T型石墨烯的结构和电子特性。研究发现扣形T型石墨烯 (Buckled T graphene) 具有类似狄拉克的费密子和高的费米速度,为构建具有狄拉克费密子的两维碳材料提供了新的思路1。北京大学物理系研究人员通过原胞和超胞的能带结构解析,认为扣形T型石墨烯与平面T型石墨烯类似,呈现金属特性,不包含狄拉克费密子2。中科院物理所通过扣形T型石墨烯能带特点、结构稳定性、类似体系的研究等进一步阐明扣形T型石墨烯具有新奇特性3,4。
 
图1.  (a)和(b)体心立方C8和体心四面体C4晶胞构型;(c)和(d) 两种T型石墨烯的结构;
(e) 几种碳同素异形体的自由能随着温度的变化曲线;(f)和(g) 两种T型石墨烯的声子散射谱
 
 
 
铝钯壳层纳米粒子的分子动力学模拟
Reference: Chem. Phys. Lett. 503, 112 (2011)
所用模块:GULP
      钝化的纳米铝颗粒由于具有优越的点火和反应特性,在纳米推进剂和纳米铝热剂中具有突出作用。其中,双金属纳米铝热剂的发展,尤其是由Al核和金属壳组成的纳米材料体系,因为具有更低的燃点,在微型机电系统动力源供体方面具有潜在的应用价值。因而,滑铁卢大学的研究人员采用Materials Studio软件中经典力学模块GULP研究了Al/Pd 壳层纳米粒子的热稳定性和反应机理。使人们对Pd 涂层的Al 纳米粒子的相转变过程和能量特性有了更加深刻地认识。
 
图1. 600K下分子动力学模拟结果 (a)0ps (b)50ps (c)90ps (d)300ps
 
图2. Al和Pd原子在不同初始温度的RMSD曲线图 
 
 
 
H 钝化的硅纳米棒-大尺寸的第一性原理和紧束缚密度泛函方法的计算
Reference: J. Phys.: Condens. Matter 22, 025303 (2010)
所用模块:DFTB+ 、ONETEP
      Si纳米晶体颗粒具有很多优异性质,可用于场效应晶体管和二极管、生物传感器的荧光成像、光伏太阳能电池能量转换装置等。Si纳米晶体颗粒的物理化学性质与其表面结构、纳米尺寸及形状相关。当尺寸达到纳米尺度时,表现出的性质与体相结构有很大差异。英国南安普顿大学的研究人员基于DFT理论研究了多达1648个原子组成的Si纳米棒材料,考察了在纵横比不同以及表面H钝化比例不同的条件下,Si纳米棒的电子学特性。 
 
       
图1. Si532H308、Si766H402、Si1186H462、Si532H224、Si766H316 和 Si1186H366 的态密度图
 
图 2. 最高占据分子轨道HOMO (红色) 和最低未占据分子轨道LOMO (绿色):
(a) Si532H224 ; (d) Si532H308; (b) Si766H318, (e) Si766H402;(c) Si1186H366, (f) Si1186H462