纳米金刚石的结构稳定性和电子性质的理论研究

纳米金刚石，由于其性能优异和应用广泛，一直受到关注。研究表明，纳米金刚石的电子性质和其尺寸以及结构细节（对称性、表面原子排列）等密切相关。本项目是一项理论计算研究，我们拟采用参数模型和第一原理方法对纳米金刚石的结构稳定性和电子性质进行研究：1）采用有效相互作用的参数模型(effective model)来描述纳米金刚石的结合能，并搜索和确定可能的稳定结构，研究环境温度、压强等因素对表面氢原子化学势的调制，及其对纳米金刚石的尺寸和对称性的影响；2）运用第一原理方法着重研究稳定的纳米金刚石的电子性质，研究对称性和表面重构等结构细节对体系电子性质（包括能隙以及电荷空间分布等）的影响；3）运用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法研究纳米金刚石的生长过程，关注温度、熵对体系结构稳定性的影响，为实验上通过温度对体系结构和特性进行调整和设计提供参考。

本项目的研究的主要内容是纳米金刚石的结构稳定性和电子性质，包括不同原子修饰对结构稳定性和电子性质的调制以及环境温度对体系稳定性的影响等。项目进展顺利，基本完成申请书中的相应计划，取得了较好的成果，具体如下：.1）我们建立了有效作用的模型进行结构搜索。在纳米金刚石中碳碳成键和碳氢成键都属于局域的共价键，碳碳键能和碳氢键能是总能最重要的组成部分；纳米金刚石结构的结合能和体系的氢碳原子比率有线性关系，这个和我们的第一原理计算符合的非常好。通过模型分析，我们发现表面的氢原子的化学势对体系的结构稳定性起着关键作用。存在临界的氢化学势，在氢化学势低于临界值，给定碳原子数目的量子点稳定结构是氢原子最少的结构，反之，氢原子越多越稳定。给定的碳原子数目体系，氢原子的最大数目可以饱和烷烃的公式直接得到；为了寻找最小的氢原子数目，我们利用晶格上的随机行走来获得。在之前的实验报导中，纳米金刚石的表面都是氢饱和，表面由（111）晶面组成，对应的都是氢原子数目较少的情况，和我们的计算符合的很好。.2）我们研究了表面结构对体系性质的影响。硫吸附的纳米金刚石的带隙可以很好的调控。我们使用Wang-Landau方法，用硫原子的数目和氢原子的数目来区分不同的结构，并允许在金刚石晶格中等几率的访问不同的不等价结构，搜索到了表面由(100)和(111)晶面组合的结构。在氢和硫不同的化学势下，我们通过相图确定了不同条件下的稳定结构，并研究了硫对结构稳定性以及电子性质的影响。与碳同族的元素硅，我们发现表面存在两类重要的重构，(100)二聚重构和(111)台阶重构，可以使氢的比率进一步下降；随着氢化学势的升高，体系的表面逐渐从(111)台阶重构过渡到(100)二聚重构，最后成为不重构表面；随着硅原子数目的增加，对应的不同重构表面的氢原子化学势区间也有所变化。.3）我们研究了温度对纳米体系结构稳定性的影响。比如氟原子可以促进硅原子的表面偏析并对体系的形状和尺寸进行调制，我们考虑了混合熵对体系自由能的影响，通过微粒群优化的方法得到了不同温度下硅锗原子的空间分布；对于碲纳米结构，我们建立了基于范德华相互作用的键能模型，通过Wang-Landau方法计算了不同形状纳米结构的构型熵，研究了不同温度下纳米结构形状的演化，并和实验符合。我们正在将相应的方法应用于研究不同温度下纳米金刚石的结构演化。