若干碳團簇固體的理論研究

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1、中圈料孽教求大璽博士學(xué)位論文萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’Sdegree萬方數(shù)據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行研究工作所取得的成果。除己特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了明確的說明。作者簽轢恥簽字日期：墊i幺!!：蘭中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明作為申請學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)

2、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》等有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。l回公開口保密(——年)作者簽名：疊盤導(dǎo)師簽名：羔叁壁蘭簽字日期：筮!生!!!士萬方數(shù)據(jù)摘要自從碳富勒烯在實驗上被制備出來后，人們對碳富勒烯的外接、異質(zhì)以及內(nèi)嵌的各種碳衍生物以及富勒烯固體進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)了許多新

3、異的性質(zhì)。本論文選取幾種富勒烯(或碳團簇)構(gòu)建了碳團簇固體，并對這些碳團簇固體的電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、振動性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)進行了深入研究，得到了一些有意義的結(jié)果。本論文共分為五章。第一章首先簡要介紹了富勒烯及其衍生物的相關(guān)研究，并著重對富勒烯固體的研究現(xiàn)狀進行了闡述。在第二章中，我們介紹了理論計算中廣泛使用的密度泛函理論，并且介紹了基于團簇構(gòu)建碳團簇固體的方法。論文的第三章，由碳的正四面體團簇(C4)或碳原子，我們構(gòu)建了四種C4固體?；诘谝恍栽碛嬎?，我們發(fā)現(xiàn)這些C4固體的結(jié)合能、質(zhì)量密度、體彈模量和電學(xué)性質(zhì)與其中的C4濃度密切相關(guān)。隨著C4濃度的

4、升高，這些C4固體的結(jié)合能變大，質(zhì)量密度變小，體彈性模量變小，帶隙變小。這為通過調(diào)控體系中C4的濃度進而調(diào)節(jié)體系的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)提供了一種新方法。在計算得到的拉曼譜中，一些拉曼活性模式主要由C4貢獻，這為實驗上觀測這些C4固體提供了一定的依據(jù)。對其中的一種C4固體進行B、N、Si摻雜后，我們發(fā)現(xiàn)不同含量的B摻雜后體系可以變?yōu)閷?dǎo)體，也可以依然保持為半導(dǎo)體。B摻雜后的半導(dǎo)體中，在帶隙中出現(xiàn)雜質(zhì)能級；N摻雜后的體系中，不僅其帶隙中出現(xiàn)了雜質(zhì)能級，體系還出現(xiàn)了磁性；Si摻雜后體系的帶隙變大。在第四章中，基于c58(c3。)，我們構(gòu)建了四種C58固體。這些固

5、體的體彈模量比金剛石的要小，但定容比熱容在0．1000K的溫度范圍內(nèi)比金剛石的要大。另外，有三種固體表現(xiàn)出磁性，計算表明局域磁矩主要分布在相鄰五邊形的公共原子的第一近鄰原子上。對這些固體的形成能和電子結(jié)構(gòu)的計算表明：最穩(wěn)定的一種(T．I)是一種直接帶隙的半導(dǎo)體，帶隙為O．12eV，其他的都是導(dǎo)體。拉曼譜分析表明孤立C58的特征拉曼模式仍保留在T．I的拉曼譜中，但T—I的拉曼譜中出現(xiàn)了更多的拉曼活性模式。對T．I施加應(yīng)變，T．I表現(xiàn)出半導(dǎo)體一金屬轉(zhuǎn)變，在拉伸應(yīng)變的情況下還伴隨著結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)拉伸應(yīng)變達到一定程度時T．I轉(zhuǎn)變?yōu)镃58組成的類石墨烯層狀結(jié)

6、構(gòu)。對T．I進行特定位點的H、F、Cl吸附，可以調(diào)整T．I的帶隙，對T．I進行Li摻雜，也可以使之轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。此外，我們的計算還表明，在Css的類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的單個空位中，棱錐角最大的原子處產(chǎn)生的空位最穩(wěn)定。萬方數(shù)據(jù)在第五章，我們用C50(D5h)構(gòu)建了三種C50固體。計算表明這些固體遠比金剛石軟，第一種和第三種為間接帶隙的窄帶半導(dǎo)體，帶隙分別為0．055和0．338eV，第二種為導(dǎo)體，它們的形成都需要吸收熱量。聲子譜計算表明這些固體都是亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，它們的定容比熱容在0．1000K的溫度范圍內(nèi)沒有大的差別，而且與C58形成的T-I的差別也很小

7、，但它們都比金剛石的要大。我們還模擬了這些固體的X射線衍射譜，譜中的衍射峰可為實驗上觀測這些固體提供一定的依據(jù)。此外，我們對第三種固體進行B或N的摻雜，計算表明B摻雜后體系變?yōu)閷?dǎo)體，N摻雜后體系帶隙變大，為0．469eV，相應(yīng)的形成能分別為．1．152和．1．090eV／cage。B或N摻雜后體系的晶格矢量相對于純體的變化不大，這一結(jié)果預(yù)示如果沿一定的晶面取向?qū)诫s體系與純體連接起來，則混合體系在界面附近可能會形成金屬一半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)或者半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。在第三種固體的C50籠內(nèi)放入Mg或Ca原子，摻雜體系均轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，相應(yīng)的形成能為3．236和0．94

8、3eV／cage。摻入Mg或Ca原子后體系的晶格矢量相對于純體的變化也不大。這表明摻雜體系與純體沿特定晶向聯(lián)合在一起，體系