超细金纳米线结构与物性的尺寸演化

摘要：本文将无偏搜索的遗传算法同密度泛函理论计算相结合，研究了金纳米线的结构演化和物理性质。明确的原子描述表明,由于金本身的特点在金纳米线中出现了一些奇特的结构行为，两种金纳米线（即正常构型与反常构型）在纳米线的生长过程中交替出现，从中可以看出金纳米线的形成遵循基于（111）晶面的生长机制。有关金纳米线的总体结构演变、杨氏模量以及壳层效应等的理论结果同实验观测完全符合，说明了在纳米体系中，客观、精确的原子描述对于理解其性质十分重要。65457

毕业论文关键词：金纳米线，遗传算法，密度泛函理论

Abstract: The structural formation process and physical properties of gold nanowires were investigated via an unbiased genetic algorithm search using empirical potential combined with density functional theory calculations. Some unexpected structural behaviors resulting from the intrinsic properties of gold were revealed. Two kinds of atomic arrangements, i.e., normal and abnormal configurations, appear alternately during the growth of wire, from which a (111) facet-based formation mechanism was observed. The excellent agreements between theoretical results and experimental observations on the structural motif, Young's modulus, and shell effects of Au nanowires indicate the importance of objective and precise atomistic descriptions in the study of nanosystems.

Keywords: gold nanowire，genetic algorithm，density functional theory

1 绪论 4

1.1 引言 4

1.2 金纳米线的研究4

1.2.1 金纳米线的实验研究概述5

1.2.2 金纳米线的理论研究概述6

1.3 本论文工作的主要内容6

2 数值计算方法 6

2.1 遗传算法 7

2.2 密度泛函理论计算方案 8

2.3 DMol3软件包及其参数设计 9

2.4 金纳米线建模及计算设置10

3 结果与讨论10

4 结论 17

参考文献18

致谢19

1 绪论

近几年来，纳米技术的兴起和实验技术的不断发展，各种各样的纳米材料尤其是金纳米材料由于其独特的电学、光学、生物医学和光电信息存储等诸多潜在的应用而引起了人们的广泛关注。当金减少到几层原子时，出现了非常细的纳米结、纳米团簇、纳米线，固态金的结构和性质将不再保持，而出现令人惊奇的情景。作为设备应用的第一步，能够预测和控制纳米线的稳定性是非常重要的。实验和理论研究都表明纳米线的原子排列是理解其物理行为的关键。因此，通过对金纳米线的原子排列的掌握，从而实现对金纳米结构稳定性的预测和控制，对于开发基于金纳米体系的新一代高性能的纳米器件具有非常重要的推动作用。

1.1 引言

1959 年，著名物理学家费曼在美国加州理工学院发表了一篇题为“There is a plenty of rooms at the bottom”的演讲中说到，“如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那将会创造什么样的奇迹？” 首次预言了纳米科技是未来科学发展的方向。今天，纳米科技的发展正在让费曼的设想逐步成为现实，在给物理、化学、通讯、电子、医学等多门学科领域带来新的发展机遇的同时，也将对人类生活和社会发展带来重要的影响。

近年来，人们针对扫描隧道显微镜的探针与金表面的接触、插入、拉伸、断裂过程进行了一系列实验和理论研究，研究重点逐渐聚焦在直径大约 3nm 以下超细的、足够长的、原子结构不同于体材料的金属纳米线上。目前实验上已经制备出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端之间的 Au 纳米线，其中最细的Au 纳米线直径在 0.6nm，而长度为 6nm 以上。理论工作围绕金纳米线的形成机制、物理性质和应用前景展开。对超细金纳米线的深入研究，将对低维物理和未来分子设备的应用产生深远的影响。[1-3]来.自/751·论|文-网·www.751com.cn/ 超细金纳米线结构与物性的尺寸演化:http://www.751com.cn/wuli/lunwen_73101.html