1、目前，低維納米結(jié)構(gòu)材料因其諸多的新奇性質(zhì)和潛在應(yīng)用受到了國(guó)際科技界的廣泛關(guān)注。其中，(準(zhǔn))一維納米結(jié)構(gòu)因其顯著的量子效應(yīng)，尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，迅速成為目前納米科學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象。特別是半導(dǎo)體納米器件，因其被預(yù)計(jì)是未來半導(dǎo)體器件發(fā)展的必經(jīng)之路，已經(jīng)成為了熱點(diǎn)研究問題之一。然而，至今仍然有許多的物理現(xiàn)象和規(guī)律沒有得到很好的理解和揭示，例如電子、力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、力電光的耦合效應(yīng)等。進(jìn)一步，如何利用這些新穎的納米結(jié)構(gòu)材料來設(shè)計(jì)實(shí)際

2、可用的器件更是一件最有意義且又具有巨大挑戰(zhàn)的課題。本文基于第一性原理計(jì)算方法、分子動(dòng)力學(xué)模擬方法、半經(jīng)典和經(jīng)典的物理模型等研究了幾類半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及其相互耦合的性質(zhì)等，并從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了基于石墨烯和碳納米管混成結(jié)構(gòu)的全碳場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)方案，探索其性能調(diào)控的物理原理。主要的研究?jī)?nèi)容可歸納如下：
　　 (1)一維鉍納米線和納米管的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)：
　　 我們研究了[012]晶向的單晶鉍

3、納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)納米線的形狀對(duì)其能量穩(wěn)定性有著重要的影響，并從化學(xué)成鍵和表面重構(gòu)的角度解釋了決定其穩(wěn)定性的原因。進(jìn)一步，我們研究了最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)納米線的電子性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)由于量子限制效應(yīng)，納米線的帶隙隨著直徑的減小而增大，與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。然后，從納米線的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)造了[012]晶向的單晶納米管，發(fā)現(xiàn)單晶納米管的帶隙大小主要取決于壁厚的大小，幾乎不依賴于管徑。為了與[012]晶向的單晶納米管做比較，我們也研究了由鉍原子層卷起的層狀

4、鉍納米管。我們發(fā)現(xiàn)，盡管單壁的層狀納米管比相同壁厚的單晶納米管能量上更加穩(wěn)定，然而層狀的雙壁納米管與相同壁厚的單晶納米管在能量上幾乎是簡(jiǎn)并的。所以，我們預(yù)計(jì)隨著壁厚的增加，單晶鉍納米管和層狀鉍納米管都可能存在。并且最近的實(shí)驗(yàn)成功制備出了雙壁層狀納米管，不僅從定性角度，而且在定量上證實(shí)了我們的理論研究結(jié)果。最后，我們還討論了鉍/銻軸向超晶格納米線的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們屬于Type-Ⅱ超晶格結(jié)構(gòu)，電子和空穴分別分布在不同的化學(xué)組分區(qū)域，

5、并且在費(fèi)米面附近出現(xiàn)非常尖銳的態(tài)密度峰，對(duì)應(yīng)于平的電子能帶，這對(duì)于提高材料的熱電性能將非常有利。這一系列的研究對(duì)于理解一維鉍納米材料的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)及其潛在的器件應(yīng)用方面都有著重要的意義。
　　 (2)一維氧化鋅納米帶和納米線的電子性質(zhì)和力學(xué)特性：
　　 研究了一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的電子和力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不同的表面對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及帶隙的大小具有比較大的影響，然而對(duì)其彈性模量的影響較小。進(jìn)一步，通過應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)納

6、米線和納米帶的彈性模量的尺寸效應(yīng)給出了一個(gè)合理的解釋。我們發(fā)現(xiàn)，連續(xù)介質(zhì)模型適用于直徑在大約幾十到幾百納米的氧化鋅納米線，理論預(yù)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的一致；然而由于小尺寸的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)存在比較復(fù)雜的表面和內(nèi)部弛豫，連續(xù)介質(zhì)模型對(duì)這些超細(xì)(直徑小于3納米)的納米線和納米帶是不適用的，突顯了表面效應(yīng)、非線性效應(yīng)等對(duì)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　 (3)石墨烯和碳納米管的混成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、輸運(yùn)性質(zhì)及其器件設(shè)計(jì)：
　　 通過

7、分子動(dòng)力學(xué)模擬和根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的啟發(fā)，我們提出了一種基于石墨烯和碳納米管混成(hybrid)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的設(shè)計(jì)方案。我們發(fā)現(xiàn)，這類混成器件結(jié)構(gòu)可以從一片雙層石墨烯出發(fā)，通過形狀裁剪和高溫退火而獲得。進(jìn)一步，通過對(duì)電子輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算，肯定了這類結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的半導(dǎo)體性質(zhì)。這個(gè)器件構(gòu)造方案具有幾個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)：第一，整個(gè)形成過程是一個(gè)“自折疊”過程，非常不同于傳統(tǒng)的碳納米管器件形成方法，避免了對(duì)納米管的移位放置和操控

8、；第二，整個(gè)體系由碳原子通過sp2成鍵方式構(gòu)成，無不飽和鍵，具有非常高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；第三，由半導(dǎo)體性的碳納米管和雙層的石墨烯分別來做器件的輸運(yùn)通道和電極，所以是真正的全碳型納米器件，并且碳管和雙層石墨烯之間的連接在原子尺度上是光滑連貫的(類似于材料學(xué)語(yǔ)言中的共格(coherent)界面)，避免了金屬電極的使用，極大地提高了器件的性能控制。
　　 (4)一維氮化硼納米帶的力電耦合性質(zhì)：
　　 研究了氮化硼納米帶的