外力对crs2纳米管电子性质的影响
毕业设计（论文）中文毕业设计（论文）中文近年来，随着电子元件与机械设备日益小型化的趋势，以及纳米材料的量子限制效应与表面效应所表现出的独特的物理和化学性质，纳米材料已经吸引了越来越多人的密切关注。本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究了在外力作用下CrS2纳米管几何结构的变化，以及外力对其电子性质的影响。计算结果表明，在外力作用的情况下，不管是拉力还是压力，CrS2纳米管的结构都会发生变化，不同位置处的键长改变不同，进而使键角发生改变。(8, 8)和(10, 10) CrS2纳米管的键长随着外力的变化而线性的变化，而(12, 0)和(10, 0) CrS2纳米管却有所不同。并且外力会导致CrS2纳米管的带隙有所改变，随着拉力的逐渐增大，带隙越来越小；相反，在受到压力的作用下，随着压力的逐渐增大，CrS2纳米管的带隙反而逐渐的增大。而对于不同类型的CrS2纳米管其改变的幅度有所不同。并且当拉力大到一定程度时，CrS2纳米管会发生由半导体向金属的转变。这些研究为我们进一步研究CrS2纳米管的性质和基于CrS2纳米管的一些光电器件有着重要的指导意义。关键词 纳米材料，密度泛函理论，能带结构，二硫化铬中文摘要 Ⅰ目 录
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 绪论.1
1.1引言 ...1
1.2 研究背景....3
第二章 主要理论基础及数值计算方法.3
2.1主要理论方法.................3
2.1.1多粒子体系的薛定谔方程........3
2.1.2 Born-Oppenheimer近似....................4
2.1.3 Hartree-Fock近似..........................6
2.2密度泛函理论.....................8
2.2.1引言................................8
2.2.2 Kohn-Sham方程....................10
2.3计算方法................................
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
..................6
2.2密度泛函理论.....................8
2.2.1引言................................8
2.2.2 Kohn-Sham方程....................10
2.3计算方法.....................................13
2.3.1交换关联能近似....................................13
2.3.2 局域密度近似（LDA）...............13
2.3.3广义梯度近似（GGA）................14
第三章 外力对二硫化铬纳米管性质的影响..........14
3.1引言......................................................................................................14
3.2研究方法......14
3.3结果与讨论......15
第四章 总结与展望..30
致谢 ......31
参考文献....32
第一章 绪论
1.1 引言
近年来，纳米材料逐渐被人们所熟知，一纳米等于十亿分之一米（10-9米）。按照维度，纳米材料可分为三类：(1)二维纳米材料，指空间中有一维是纳米尺度的材料，如超晶格，纳米薄膜；(2)一维纳米材料，指空间中有两维是纳米尺度的材料，如纳米线，纳米棒；(3)零维纳米材料，指的是空间三维尺度均为纳米尺度的材料，如纳米颗粒，原子分子团簇[1]。
早在20世纪80年代纳米科技就已经诞生了，纳米级材料与我们以往所认知的一些材料有着很大的区别，它所拥有的奇特的物理化学性质深深的吸引着研究人员的目光，如量子尺寸、量子隧道等效应。伴随着理论和科技逐步的成熟和完善，人们逐渐对于纳米材料有了更进一步的认识，但对于新材料的探索和应用还远远没有结束。
曾经费曼（诺贝尔奖得主）就预言：我们能够发现大量不可思议的性质，只要我们能够对物体微小规模的排列加以控制。19世纪80年代以来，纳米技术正在突飞猛进的发展，费曼的语言正在逐步变成现实。与传统体材料相比较而言，纳米材料在磁学、电学、光学等方面都表现出完全不同的性质。（1）量子尺寸效应，指的是当某种材料的大小降低到一定的尺度时，费米能级附近的电子能级将由准连续变为离散能级的现象。（2）表面效应，随着纳米材料的尺寸变小，位于表面的原子所占的比例增大，纳米材料的活性被增大，进而引起表面原子的构型变化和电子自旋构象和电子能谱的变化。（3）宏观量子隧道效应，粒子也有可能穿越某一势垒，即使是势垒高度大于微观粒子的总能量。
进入21世纪以来，人们对于纳米材料的研究还远没有停止，一些未知的性质还有待研究者们去探索和发现，纳米材料依然有着很好的前景。
1.2研究背景
1985 年，“足球”结构的C60?被发现，这一发现吸引了全世界的目光，1996 年的诺贝尔化学奖也被授予了C60的发现者Kroto H. W.、Smalley R. E.和Curl R. F。在富勒烯研究推动下，日本电子公司（NEC）的饭岛博士在1991 年发现一种更为奇特的碳结构——碳纳米管。
1991 年，碳纳米管被正式认识并命名，并且在各个领域得到了广泛的认可和关注。碳纳米管的力学和电学性能优良，是制作电容器的理想材料之一。碳纳米管还能被用来制作为扫描探针，因为它的直径与我们以往所用的针尖相比要小得多，扫描过程中，能够得到材料表面更为详细的信息。
类似于碳纳米管，MoS2是一种重要的间接带隙半导体材料。自然界中的MoS2晶体的生长习性为六方板状，由一层层的结构堆积而成，相邻两层S之间夹杂着一层Mo，类似于三明治的结构，层内通过共价键结合在一起，而层与层之间的相互联系则是依靠着微弱的范德华力。其中Mo和S以共价键结合为三方柱面体结构。它有着独特的物理和化学性能，除了在固态润滑剂方面得到广泛应用，在光电、光催化以及锂电池等方面的应用也引起了人们的广泛关注[2]。二硫化钼（MoS2）是一种像石墨一样拥有蜂巢状结构的半导体。目前，人们利用密度泛函理论（DFT）来对MoS2纳米管的电子性质进行研究。密度泛函理论计算被应用于广义梯度近似和PBE交换模型中。人们发现通过扩大管道的直径，扶手椅形和锯齿形MoS2纳米管的杨氏模量都有所增长。一方面，所有的扶手椅形MoS2纳米管都有着间接的带隙类型。另一方面，锯齿形MoS2纳米管有着Γ点类型的带隙。MoS2纳米结构已经被证实能在好几个方面得到应用，例如润滑剂[3]，晶体管[4]，传感器和光电效应设备[5]。
类石墨MoS2在光电热力磁等方面的发展也引起了研究人员的关注。目前，制备单层MoS2的方法主要有：锂离子层法[6]，液相超声法[7]，高温热分解[8]，水热法和气相沉积法等。
近年来，人们对MoS2纳米材料的一些性质做了比较全面的研究和考察，我们知道，在外场作用的情况下，MoS2纳米材料的能带结构会发生改变。例如当对其表面施加垂直方向的电场的时候，MoS2的带隙较之前相比会发生明显的减小，并且最终会变成金属；而当对MoS2纳米管作用以横向的电场时，管道形状会发生改变，由原来的圆形渐渐变为椭圆形状，与此同时在不断加大横向电场强度的情况下，纳米管的带隙有着单调递减的规律，只要场强足够的大，原来是半导体的MoS2纳米管最终会变为金属。纳米材料的应用越来越广泛，种类也是越来越多，CrS2作为其中一种，现阶段对它的研究还不是很深入。正因为如此，本文中我们对其做了更进一步的计算和分析。
Cr和Mo一样都属于同一族的过渡族金属，最外层电子数相同。而CrS2与MoS2有着类似的性质，两者都是过渡族二硫化物。对于优化后的单层CrS2半导体的晶格参数，S-Cr间的键长和S-Cr-S间的键角分别为3.04 ?，2.29 ? 和79.8。单
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 绪论.1
1.1引言 ...1
1.2 研究背景....3
第二章 主要理论基础及数值计算方法.3
2.1主要理论方法.................3
2.1.1多粒子体系的薛定谔方程........3
2.1.2 Born-Oppenheimer近似....................4
2.1.3 Hartree-Fock近似..........................6
2.2密度泛函理论.....................8
2.2.1引言................................8
2.2.2 Kohn-Sham方程....................10
2.3计算方法................................
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
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2.2密度泛函理论.....................8
2.2.1引言................................8
2.2.2 Kohn-Sham方程....................10
2.3计算方法.....................................13
2.3.1交换关联能近似....................................13
2.3.2 局域密度近似（LDA）...............13
2.3.3广义梯度近似（GGA）................14
第三章 外力对二硫化铬纳米管性质的影响..........14
3.1引言......................................................................................................14
3.2研究方法......14
3.3结果与讨论......15
第四章 总结与展望..30
致谢 ......31
参考文献....32
第一章 绪论
1.1 引言
近年来，纳米材料逐渐被人们所熟知，一纳米等于十亿分之一米（10-9米）。按照维度，纳米材料可分为三类：(1)二维纳米材料，指空间中有一维是纳米尺度的材料，如超晶格，纳米薄膜；(2)一维纳米材料，指空间中有两维是纳米尺度的材料，如纳米线，纳米棒；(3)零维纳米材料，指的是空间三维尺度均为纳米尺度的材料，如纳米颗粒，原子分子团簇[1]。
早在20世纪80年代纳米科技就已经诞生了，纳米级材料与我们以往所认知的一些材料有着很大的区别，它所拥有的奇特的物理化学性质深深的吸引着研究人员的目光，如量子尺寸、量子隧道等效应。伴随着理论和科技逐步的成熟和完善，人们逐渐对于纳米材料有了更进一步的认识，但对于新材料的探索和应用还远远没有结束。
曾经费曼（诺贝尔奖得主）就预言：我们能够发现大量不可思议的性质，只要我们能够对物体微小规模的排列加以控制。19世纪80年代以来，纳米技术正在突飞猛进的发展，费曼的语言正在逐步变成现实。与传统体材料相比较而言，纳米材料在磁学、电学、光学等方面都表现出完全不同的性质。（1）量子尺寸效应，指的是当某种材料的大小降低到一定的尺度时，费米能级附近的电子能级将由准连续变为离散能级的现象。（2）表面效应，随着纳米材料的尺寸变小，位于表面的原子所占的比例增大，纳米材料的活性被增大，进而引起表面原子的构型变化和电子自旋构象和电子能谱的变化。（3）宏观量子隧道效应，粒子也有可能穿越某一势垒，即使是势垒高度大于微观粒子的总能量。
进入21世纪以来，人们对于纳米材料的研究还远没有停止，一些未知的性质还有待研究者们去探索和发现，纳米材料依然有着很好的前景。
1.2研究背景
1985 年，“足球”结构的C60?被发现，这一发现吸引了全世界的目光，1996 年的诺贝尔化学奖也被授予了C60的发现者Kroto H. W.、Smalley R. E.和Curl R. F。在富勒烯研究推动下，日本电子公司（NEC）的饭岛博士在1991 年发现一种更为奇特的碳结构——碳纳米管。
1991 年，碳纳米管被正式认识并命名，并且在各个领域得到了广泛的认可和关注。碳纳米管的力学和电学性能优良，是制作电容器的理想材料之一。碳纳米管还能被用来制作为扫描探针，因为它的直径与我们以往所用的针尖相比要小得多，扫描过程中，能够得到材料表面更为详细的信息。
类似于碳纳米管，MoS2是一种重要的间接带隙半导体材料。自然界中的MoS2晶体的生长习性为六方板状，由一层层的结构堆积而成，相邻两层S之间夹杂着一层Mo，类似于三明治的结构，层内通过共价键结合在一起，而层与层之间的相互联系则是依靠着微弱的范德华力。其中Mo和S以共价键结合为三方柱面体结构。它有着独特的物理和化学性能，除了在固态润滑剂方面得到广泛应用，在光电、光催化以及锂电池等方面的应用也引起了人们的广泛关注[2]。二硫化钼（MoS2）是一种像石墨一样拥有蜂巢状结构的半导体。目前，人们利用密度泛函理论（DFT）来对MoS2纳米管的电子性质进行研究。密度泛函理论计算被应用于广义梯度近似和PBE交换模型中。人们发现通过扩大管道的直径，扶手椅形和锯齿形MoS2纳米管的杨氏模量都有所增长。一方面，所有的扶手椅形MoS2纳米管都有着间接的带隙类型。另一方面，锯齿形MoS2纳米管有着Γ点类型的带隙。MoS2纳米结构已经被证实能在好几个方面得到应用，例如润滑剂[3]，晶体管[4]，传感器和光电效应设备[5]。
类石墨MoS2在光电热力磁等方面的发展也引起了研究人员的关注。目前，制备单层MoS2的方法主要有：锂离子层法[6]，液相超声法[7]，高温热分解[8]，水热法和气相沉积法等。
近年来，人们对MoS2纳米材料的一些性质做了比较全面的研究和考察，我们知道，在外场作用的情况下，MoS2纳米材料的能带结构会发生改变。例如当对其表面施加垂直方向的电场的时候，MoS2的带隙较之前相比会发生明显的减小，并且最终会变成金属；而当对MoS2纳米管作用以横向的电场时，管道形状会发生改变，由原来的圆形渐渐变为椭圆形状，与此同时在不断加大横向电场强度的情况下，纳米管的带隙有着单调递减的规律，只要场强足够的大，原来是半导体的MoS2纳米管最终会变为金属。纳米材料的应用越来越广泛，种类也是越来越多，CrS2作为其中一种，现阶段对它的研究还不是很深入。正因为如此，本文中我们对其做了更进一步的计算和分析。
Cr和Mo一样都属于同一族的过渡族金属，最外层电子数相同。而CrS2与MoS2有着类似的性质，两者都是过渡族二硫化物。对于优化后的单层CrS2半导体的晶格参数，S-Cr间的键长和S-Cr-S间的键角分别为3.04 ?，2.29 ? 和79.8。单
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