1、伴隨著納米科學和技術的飛速發(fā)展，納米材料由于自身尺寸大小(納米尺度1～100nm之間)而具有許多獨特物理化學性能，引起了人們的極大興趣和關注，成為當前材料研究最活躍的領域之一。其中低維金屬氧化物納米材料以其獨有的結構特征，優(yōu)異的力學、光學、電學、電子學等特性而具有誘人的應用前景，研究它們的微觀結構和性能對于探討其形成機理，開發(fā)其應用潛力具有重要的意義。本論文針對具有中空管狀結構的單壁水鋁英石納米管(礦物學上稱為納米晶須)和具有小面結構的

2、纖鋅礦型氧化鋅和硫化鋅納米材料(納米管和納米線)進行了相關的探索研究，獲得了一些有重要意義的結果。 在計算機科技飛速發(fā)展的今天，對于納米材料的研究僅僅采用傳統(tǒng)的實驗方法已不能滿足需要。近年來計算機模擬方法越來越受到青睞，成為除理論分析和實驗研究之外的第三大工具，是溝通理論和實驗的橋梁，不僅可以輔助實驗，指導實驗，而且可以得到一些實驗難以測量的結果，并能深入揭示所研究系統(tǒng)的內(nèi)在行為機制。當前主要有兩種常用的計算方法：一種是第一原理

3、計算方法，也稱ab initio方法，主要包括Hartree-Fock自洽場方法和密度泛函方法；另一種是經(jīng)驗的或半經(jīng)驗的方法，比較常用的就是經(jīng)典分子力學和分子動力學模擬方法。從頭算法是從量子力學第一原理出發(fā)，通過自洽迭代求解薛定諤方程，可以預測材料的各種微觀性質。經(jīng)驗算法是根據(jù)已有的相互作用勢函數(shù)解析形式計算材料的某些性質。 針對本論文的研究體系(低維金屬氧化物納米結構)，本論文采用了密度泛函計算和經(jīng)典分子力學和分子動力學模擬相

4、結合的方法，研究了單壁水鋁英石納米管和氧化鋅、硫化鋅納米材料的一些結構、電學和電子學特性。本論文主要分兩部分，第一部分介紹了我們進行研究工作的理論基礎，第二部分介紹了作者本人在攻讀博士學位期間所作的主要研究工作，分別簡介如下： 1.研究工作的理論基礎在本論文的第二章中針對研究方法，密度泛函計算和經(jīng)典分子力學和分子動力學模擬方法做了簡要的介紹。密度泛函方法是當前最為重要的一種基于第一原理的研究方法，由于其不依賴于任何經(jīng)驗參數(shù)而具有

5、非常廣泛的應用，且可以計算材料的結構性質、機械性質、電學性質、光學性質、磁學性質等多方面的性質，但是由于其計算量非常巨大，在當前的計算條件下，最多只能處理上百個原子的體系，對于更大的體系，只能借助于經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法。而經(jīng)典分子力學和分子動力學模擬方法則具有較高的運算效率，可以計算上萬個原子的體系，但是一般情況下只能研究物質的構象問題，機械特性或熱力學特性，而不能涉及到化學變化，電子轉移等問題。兩種計算方法各有特點，把二者結合起來，就能

6、研究更為廣泛的課題。本章中針對這兩種計算方法分別予以介紹，作為后面幾章研究內(nèi)容的理論基礎簡介。 2.單壁水鋁英石納米管的結構和力學特性研究自從碳納米管首次被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨特的結構和優(yōu)良的性質，成為了近年來納米科技中的一個研究熱點，并因此激勵了其它無機納米管的研究。但是制備中如何得到它們的直徑均勻分布的納米管(即直徑單分散性)，至今還是一個亟待解決的難題。人們研究發(fā)現(xiàn)了一種特殊的單壁水鋁英石納米管(礦物學上稱為納米晶須)，無論是天然的或

7、人工合成的，都具有相當固定的直徑。那么單壁水鋁英石納米管所具有的直徑單分散性的內(nèi)在機理是什么呢?在本論文的第三章中我們采用經(jīng)典分子力學方法研究了具有不同指數(shù)的納米管的結構和能量，發(fā)現(xiàn)指數(shù)等于13的納米管對應著能量的最低值，從而證實了其直徑單分散性。進一步分析了其直徑具有單分散性的原因，結果表明是內(nèi)壁硅烷醇對水鋁層的功能化造成的。這一結果可為碳納米管及其它無機納米管的直徑控制提供有益啟示：可以在表面上連接功能化結構而引起鍵能的變化，從而有

8、可能改變能量隨尺寸的單調變化情況，解決其制備中很難得到直徑單一的納米管這一難題。同時采用經(jīng)典動力學模擬方法研究了其主要力學特性，給出了楊氏模量和泊松比的數(shù)值。 3.單壁水鋁英石納米管的表面電荷和電子學特性研究諸多實驗研究表明，單壁水鋁英石納米管具有廣譜的吸附能力，既可以和陽離子反應，也可以和陰離子反應?？梢酝ㄟ^在其表面吸附不同的功能基團實現(xiàn)功能化，單壁水鋁英石納米管的功能化是一個正在探索的新領域，最近已有不少關于其功能化的研究，

9、具有十分誘人的應用前景。在本論文的第四章中采用密度泛函計算的方法研究了單壁水鋁英石納米管的表面“結構”電荷分布及相應的電子結構：納米管的結構形變導致了沿徑向存在著電場，同時在外表面感應出微弱正電荷，而內(nèi)表面的電荷分布具有“位點依賴性”；偶極電場還造成了能級移動，使得帶隙變窄，此外對應表面電子態(tài)的位點是活潑的反應位點。從而對其具有的廣譜的吸附能力作出了合理的解釋，同時說明可以簡便的通過反應或吸附不同的功能基團實現(xiàn)單壁水鋁英石納米管的功能化

10、。這些研究結果為水鋁英石納米管的功能化這個新的研究熱點提供了重要的理論依據(jù)。 4.氧化鋅、硫化鋅納米材料的結構和電子學特性研究氧化鋅納米材料因其優(yōu)異的光電性質而成為短波半導體材料研究的國際熱點。迄今為止，人們已經(jīng)運用各種制備方法合成了多種特殊形態(tài)的氧化鋅納米管和納米線，同時研究了它們的發(fā)光特性。在本論文的第五章中采用密度泛函計算和經(jīng)典分子力學和分子動力學模擬相結合的方法，研究了各種形態(tài)和尺寸的有小面結構的纖維鋅礦型氧化鋅納米線和

11、納米管的結構、能量和電子學性質。結果表明，最穩(wěn)定的是六邊棱柱形態(tài)，和實驗結果一致。能量演變遵守如下規(guī)律：納米線相對于體材料的形成能(Eform)隨著半徑的增加而減??；厚壁納米管的形成能Eform與半徑無關，隨著壁厚的增加而減少；當納米管的壁厚和納米線的半徑相當時，它們有接近的形成能Eform;這主要歸因于其表面懸掛鍵的影響，可以用基于表面能的簡單模型加以解釋。同樣納米結構表面的的弛豫現(xiàn)象也是由表面懸掛鍵引起的。研究其電子結構后發(fā)現(xiàn)其光致