外力对Si纳米管电子性质的影响
目 录
1 绪论 1
1.1 纳米技术 1
1.2 纳米材料 1
2 Si纳米材料 3
2.1 Si纳米材料的性质 3
2.2 Si纳米材料的制备 4
3 Si纳米管的电子性质 5
3.1 引言 5
3.2 研究方法 6
3.3 Si纳米管结构优化 7
3.4 Si纳米管在轴向力下的电子性质 8
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology），也称毫微技术，是一种在上个世纪末逐渐兴起的高新技术，它有异于之前的物理技术，它的研究对象不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。纳米技术的研究尺度在纳米量级，小到0.1纳米，大到100纳米，都是纳米技术的研究范围。它是一门研究微观世界，并能实现以原子或者分子为直接原料构造特殊功能产品的学科[1,2]。
1959年，物理学家理查德费曼（Richard Phillips Feynman）在一次讲座提出了有关于纳米技术的思想，他认为对分子或者原子的研究，能够帮助人们满足对物质形态的要求，这也是首次有人提出了关于纳米技术的想法；1981年，扫描隧道电子显微镜的发明使人类首次能够直接观察到微观分子世界，这极大的促进了纳米科技的发展；1990年，IBM科学家在镍表面利用氙原子排列出IBM字样，标志着纳米技术的重大突破。
根据此前的研究来看，纳米技术可以分为三种概念。第一种, 1986年,美国科学家德雷克斯勒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
tm>（Drexler）提出的分子纳米技术，但这种纳米技术并未取得重大的进展；第二种是把纳米技术定位为微加工技术的极限；第三种是从生物角度出发提出的。现阶段纳米技术被充分的利用于许多领域，对国民经济的增长有极大的帮助，钱学森院士就曾经说过：“纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”
由于纳米技术具有突出的战略意义，因此全世界都开始制定相关发展计划，投入大量的研究经费，以期抢占纳米技术的高点。1993年，中科院纳米物理与器件实验室借助超真空扫描隧道显微镜，通过探针从一块晶体硅表面取走原子，标志着我国科学家进军纳米技术领域并占有一席之地。在新世纪里，国家加大对纳米技术的支持力度，将其列入973重大项目计划，并催生了一大批主打高性能纳米材料的科技企业，为国家创造了巨大的经济效益。
1.2 纳米材料
作为纳米技术的基础，纳米材料一直是纳米研究的重点，由于其特殊的尺寸，会出现许多特殊的性能。当物质在三维空间中，至少有一维到达纳米尺度量级，即当纳米的分子或者原子尺寸在1纳米到100纳米（约等于10到100个原子的尺度）之间时，就处于一种非稳态。这一尺度接近电子的相干长度，也接近于光的波长，因此会产生许多方面的表面效应。同时，纳米粒子最表层的原子由于缺少相邻的原子，产生很多未结合的化学键，极易与其他原子结合，因此通常会有很高的化学活性。此外，晶体表面的周期性边界条件会受到破坏，表面原子密度减小，导致热学、力学、光学、电磁学性质上的显著变化，致使纳米材料具备有不同于该物质在整体时的性质。
我们现在所说的纳米粒子，指的是尺度在1到100纳米的聚合体，是处于该尺寸范围内的各种粒子的统称，这一称谓并没有限制聚合体的形状。其按照空间维度数可以分为四类：
（1）零维纳米材料：指在空间三维尺度均在纳米量级上，纳米尺度颗粒、原子
团簇或原子簇的集合等都属于零维纳米材料的范畴。
（2）一维纳米材料：即二维方向上的晶粒尺寸达到纳米量级，纳米棒(nanorod)、纳米线(nanowire)、纳米带(nanobelt)和纳米管(nanotube)等都属于一维纳米材料。
（3）二维纳米材料：指在三维空间中有一维是纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等;
（4）三维纳米材料：纳米块体材料
尺度达到纳米量级的物质，会产生一系列的效应[3]，主要是以下四个效应：1）体积效应，当电子德布罗意波长大于纳米粒子尺度时，达到纳米量级的物质周期性边界条件遭到破坏，会使其在化学活性、热阻等的方面和普通粒子有很大的区别。2）表面效应，粒子尺度减小引起纳米粒子的表面原子和总原子之比急剧变大，同时粒子相对表面积、表面能也会因为粒子尺寸减小而增加，使得表面原子缺少结合原子，产生大量的悬空键，和其他原子结合容易，从而使其有很强的化学催化活性。3）量子尺寸效应，费米能级附近的电子能级会因为粒子尺寸小到一定范围而由准连续能级变成离散能级，宏观物体的能级间距接近于零，而纳米尺度的粒子能级间距产生分裂。在分立量子化能级中的电子波动会有其他特性。4）量子隧道效应，是指微观粒子具有贯穿势垒的能力。上述的几个效应都是纳米微粒的基本性质，纳米材料会因为这一系列的效应，在熔点、蒸汽压、光学性质、超导性及塑性变形等方面有特殊的表现。
碳纳米材料是典型的纳米材料，其包括富勒烯[4]、金属富勒烯和碳纳米管等。相关研究在上世纪90年代达到高潮，本世纪进入稳步发展阶段。因为富勒烯和石墨烯等碳纳米材料的被发现，促使纳米技术得到很快的发展。目前因为纳米角、石墨炔等新材料的扩展，碳纳米材料又一次推动了纳米技术的发展。除了碳纳米材料之外，还有许多纳米材料也具有许多优良的性质，在科学研究和工业生产中发挥着重要作用。目前科学界又表现出了对硅纳米线等一维纳米材料研究的兴趣。
1991年日本科学家Iijima发现了碳纳米管[5]，碳纳米管的制作工艺和性能得到了广泛的关注和研究，在本世纪初科学家成功的将碳纳米管构造了电路，这对于利用纳米材料直接构造纳米电子器件有很大的促进意义。
在当今21世纪，各类科学技术飞速发展，如信息学、医学、新能源、环保、国防和和高新制造产业，使得这些技术需要更高要求的材料，如小型化、高度集成化、高密度存储等。因为纳米材料和纳米结构优异的性能以及其是纳米技术中最接近应用的重要组成部分，所以在材料研究领域中，纳米材料发展的最快且最富活力。新产业的诞生及系统产业的改造也会因为它们的应用而得到发展。
纳米材料和纳米结构的研究能够带领人们探索自然的新层次。它把人们对自然的认识、知识创新的能力延伸到一个全新的领域。为纳米领域新现象的发现，新概念的提出，新理论的建立和构筑纳米材料科学体系新框架提供了基础，它也将极大丰富纳米学科新领域的研究内涵。
图3.4 Si纳米管的结构优化能量图，上图对应于(6，6)纳米管结构，下图对应于(10, 0)纳米管结构。
3.4 Si纳米管在轴向力下的电子性质
为了区分不同条件外力作用下纳米管能带结构的变化，我分别考虑下面几种情况：（I）Si纳米管在轴向压缩下进行能带结构计算；（II）Si纳米管在轴向拉伸下进行能带结构的计算。以上两种情况在计算过程中，均只施加了单一方向的力。同时多个方向施加力的情况并没有在文中体现。
1 绪论 1
1.1 纳米技术 1
1.2 纳米材料 1
2 Si纳米材料 3
2.1 Si纳米材料的性质 3
2.2 Si纳米材料的制备 4
3 Si纳米管的电子性质 5
3.1 引言 5
3.2 研究方法 6
3.3 Si纳米管结构优化 7
3.4 Si纳米管在轴向力下的电子性质 8
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology），也称毫微技术，是一种在上个世纪末逐渐兴起的高新技术，它有异于之前的物理技术，它的研究对象不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。纳米技术的研究尺度在纳米量级，小到0.1纳米，大到100纳米，都是纳米技术的研究范围。它是一门研究微观世界，并能实现以原子或者分子为直接原料构造特殊功能产品的学科[1,2]。
1959年，物理学家理查德费曼（Richard Phillips Feynman）在一次讲座提出了有关于纳米技术的思想，他认为对分子或者原子的研究，能够帮助人们满足对物质形态的要求，这也是首次有人提出了关于纳米技术的想法；1981年，扫描隧道电子显微镜的发明使人类首次能够直接观察到微观分子世界，这极大的促进了纳米科技的发展；1990年，IBM科学家在镍表面利用氙原子排列出IBM字样，标志着纳米技术的重大突破。
根据此前的研究来看，纳米技术可以分为三种概念。第一种, 1986年,美国科学家德雷克斯勒
tm>（Drexler）提出的分子纳米技术，但这种纳米技术并未取得重大的进展；第二种是把纳米技术定位为微加工技术的极限；第三种是从生物角度出发提出的。现阶段纳米技术被充分的利用于许多领域，对国民经济的增长有极大的帮助，钱学森院士就曾经说过：“纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”
由于纳米技术具有突出的战略意义，因此全世界都开始制定相关发展计划，投入大量的研究经费，以期抢占纳米技术的高点。1993年，中科院纳米物理与器件实验室借助超真空扫描隧道显微镜，通过探针从一块晶体硅表面取走原子，标志着我国科学家进军纳米技术领域并占有一席之地。在新世纪里，国家加大对纳米技术的支持力度，将其列入973重大项目计划，并催生了一大批主打高性能纳米材料的科技企业，为国家创造了巨大的经济效益。
1.2 纳米材料
作为纳米技术的基础，纳米材料一直是纳米研究的重点，由于其特殊的尺寸，会出现许多特殊的性能。当物质在三维空间中，至少有一维到达纳米尺度量级，即当纳米的分子或者原子尺寸在1纳米到100纳米（约等于10到100个原子的尺度）之间时，就处于一种非稳态。这一尺度接近电子的相干长度，也接近于光的波长，因此会产生许多方面的表面效应。同时，纳米粒子最表层的原子由于缺少相邻的原子，产生很多未结合的化学键，极易与其他原子结合，因此通常会有很高的化学活性。此外，晶体表面的周期性边界条件会受到破坏，表面原子密度减小，导致热学、力学、光学、电磁学性质上的显著变化，致使纳米材料具备有不同于该物质在整体时的性质。
我们现在所说的纳米粒子，指的是尺度在1到100纳米的聚合体，是处于该尺寸范围内的各种粒子的统称，这一称谓并没有限制聚合体的形状。其按照空间维度数可以分为四类：
（1）零维纳米材料：指在空间三维尺度均在纳米量级上，纳米尺度颗粒、原子
团簇或原子簇的集合等都属于零维纳米材料的范畴。
（2）一维纳米材料：即二维方向上的晶粒尺寸达到纳米量级，纳米棒(nanorod)、纳米线(nanowire)、纳米带(nanobelt)和纳米管(nanotube)等都属于一维纳米材料。
（3）二维纳米材料：指在三维空间中有一维是纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等;
（4）三维纳米材料：纳米块体材料
尺度达到纳米量级的物质，会产生一系列的效应[3]，主要是以下四个效应：1）体积效应，当电子德布罗意波长大于纳米粒子尺度时，达到纳米量级的物质周期性边界条件遭到破坏，会使其在化学活性、热阻等的方面和普通粒子有很大的区别。2）表面效应，粒子尺度减小引起纳米粒子的表面原子和总原子之比急剧变大，同时粒子相对表面积、表面能也会因为粒子尺寸减小而增加，使得表面原子缺少结合原子，产生大量的悬空键，和其他原子结合容易，从而使其有很强的化学催化活性。3）量子尺寸效应，费米能级附近的电子能级会因为粒子尺寸小到一定范围而由准连续能级变成离散能级，宏观物体的能级间距接近于零，而纳米尺度的粒子能级间距产生分裂。在分立量子化能级中的电子波动会有其他特性。4）量子隧道效应，是指微观粒子具有贯穿势垒的能力。上述的几个效应都是纳米微粒的基本性质，纳米材料会因为这一系列的效应，在熔点、蒸汽压、光学性质、超导性及塑性变形等方面有特殊的表现。
碳纳米材料是典型的纳米材料，其包括富勒烯[4]、金属富勒烯和碳纳米管等。相关研究在上世纪90年代达到高潮，本世纪进入稳步发展阶段。因为富勒烯和石墨烯等碳纳米材料的被发现，促使纳米技术得到很快的发展。目前因为纳米角、石墨炔等新材料的扩展，碳纳米材料又一次推动了纳米技术的发展。除了碳纳米材料之外，还有许多纳米材料也具有许多优良的性质，在科学研究和工业生产中发挥着重要作用。目前科学界又表现出了对硅纳米线等一维纳米材料研究的兴趣。
1991年日本科学家Iijima发现了碳纳米管[5]，碳纳米管的制作工艺和性能得到了广泛的关注和研究，在本世纪初科学家成功的将碳纳米管构造了电路，这对于利用纳米材料直接构造纳米电子器件有很大的促进意义。
在当今21世纪，各类科学技术飞速发展，如信息学、医学、新能源、环保、国防和和高新制造产业，使得这些技术需要更高要求的材料，如小型化、高度集成化、高密度存储等。因为纳米材料和纳米结构优异的性能以及其是纳米技术中最接近应用的重要组成部分，所以在材料研究领域中，纳米材料发展的最快且最富活力。新产业的诞生及系统产业的改造也会因为它们的应用而得到发展。
纳米材料和纳米结构的研究能够带领人们探索自然的新层次。它把人们对自然的认识、知识创新的能力延伸到一个全新的领域。为纳米领域新现象的发现，新概念的提出，新理论的建立和构筑纳米材料科学体系新框架提供了基础，它也将极大丰富纳米学科新领域的研究内涵。
图3.4 Si纳米管的结构优化能量图，上图对应于(6，6)纳米管结构，下图对应于(10, 0)纳米管结构。
3.4 Si纳米管在轴向力下的电子性质
为了区分不同条件外力作用下纳米管能带结构的变化，我分别考虑下面几种情况：（I）Si纳米管在轴向压缩下进行能带结构计算；（II）Si纳米管在轴向拉伸下进行能带结构的计算。以上两种情况在计算过程中，均只施加了单一方向的力。同时多个方向施加力的情况并没有在文中体现。
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