外力对MoS2纳米管电子性质的影响
外力对MoS2纳米管电子性质的影响[20200101170635]
MoS2纳米管是当今研究较多的半导体纳米结构，由于其存在着显著的量子限制效应和表面效应，可以作为新一代光电子器件的构建单元。本文研究了外部应力对MoS2纳米管的电子性质的影响，以促进其在光电领域的应用。 本文系统地研究了外部应力分别对扶手椅型和锯齿型MoS2纳米管的电子性质的影响，其中施加的外部应力又分为轴向应力和径向应力。研究结果表明，在施加轴向拉伸时，两种类型的MoS2纳米管带隙均表现为线性减小；在施加轴向压缩时，两种类型的MoS2纳米管带隙表现出不同的变化规律；而在采用径向压缩时，两种MoS2纳米管带隙变化很小，基本趋于稳定。同时我们发现无论施加何种方向应力，扶手椅型和锯齿型MoS2纳米管的间接或者直接带隙半导体的性质均不变。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:MoS2纳米管,第一性原理,电子性质,半导体
目 录
1 绪论 1
1．1 纳米技术 1
1．2 纳米材料 1
2 MoS2纳米材料 3
2．1 MoS2纳米材料的性质 3
2．2 MoS2纳米材料的制备 5
3 MoS2纳米管的电子性质 6
3．1 引言 6
3．2 研究方法 8
3．3 MoS2纳米管结构优化 9
3．4 MoS2纳米管在轴向应力下的电子性质 10
3．5 MoS2纳米管在径向应力下的电子性质 14
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1．1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology）是上个世纪末期逐渐兴起的一种高新技术，它不同于此前的物理技术，它的研究对象不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。顾名思义，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]。
纳米技术的思想最早源于物理学家理查德费曼在1959年的一次讲座，他认为从分子或者原子出发，能够实现人类对于物质形态的要求；1981年，扫描隧道电子显微镜发明，人类首次能够直接观察到微观分子世界，这对纳米科技的发展产生了极大的促进作用；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。
纳米技术同时也是一门交叉综合学科，也衍生了许多其他包括纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米力学以及纳米材料学等学科。其中，纳米材料的研究和制造是整个纳米技术的核心基础，并已经在许多领域得到充分应用，并且极大的促进了国民经济的增长。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。中国也不甘落后，1993年，中科院纳米物理与器件实验室（原真空物理重点实验室）利用超真空扫描隧道显微镜，在一块晶体硅表面通过探针取走原子，并成功写下“中国”二字，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。当物质在三维空间中，至少有一维到达纳米尺度量级，即1纳米到100纳米（约等于10到100个原子的尺度）之间时，纳米粒子的分子或者原子就处于一种非稳态。这一尺度接近电子的相干长度，并且也接近于光的波长，因此会产生许多方面的表面效应。其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，导致力学、热学、电磁学、光学性质上的显著变化，使得纳米材料表现出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三类：零维（指在空间三维尺度均在纳米尺度），一维（指在空间有二维尺度均在纳米尺度），二维（指在空间中有一维处于纳米尺度）。零维的有纳米尺度颗粒，和纳米尺度团簇等；一维的有纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维的有超薄膜和超晶格等。物质尺度达到纳米量级时，会产生一系列的效应[3]，主要分为以下四个效应：1）体积效应，当纳米粒子尺度比电子德布罗意波长更小时，周期性边界条件被破坏，化学活性、热阻、光吸收、磁性等都较普通粒子发生很大的变化。纳米粒子的熔点比块状本体低很多就是利用到了这一效应。2）表面效应，纳米粒子的表面原子和总原子之比会随着粒子尺度减小而急剧变大。粒子尺寸减小同时还会引起粒子相对表面积、表面能的增加。使得表面原子缺少结合原子，产生大量的悬空键，容易和其他原子结合，从而表现出很强的化学催化活性。3）量子尺寸效应，粒子尺寸减小到一定程度，费米能级接近的电子能级由准连续能级变成分立能级。宏观物体的能级间距趋近于零。而对于纳米尺度的粒子，能级间距发生分裂。在分立量子化能级中的电子波动性会有其他特性，比如高光学非线性，特异的催化和光催化性质等。4）量子隧道效应，微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。上述的几个效应都是纳米微粒的基本性质，这一系列效应导致纳米材料在熔点、蒸汽压、光学性质、超导性及塑性变形等方面有特殊性能。
典型的纳米材料以碳纳米材料为代表，包括富勒烯[4]、金属富勒烯和碳纳米管等。相关研究在20世纪90年代达到高潮，现在进入稳步发展阶段。纳米技术的快速发展要归功于富勒烯和石墨烯等碳纳米材料的发现。目前碳纳米材料已经从富勒烯扩展到纳米角、石墨炔等新材料，并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。氧化锌（ZnO）也是一种常见的纳米材料，由于其具有丰富的形貌结构而成为研究热点[5-6]。现已实现通过利用不同的理化方法来制备各种不同形貌的ZnO纳米结构，例如纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米带、纳米弹簧等。ZnO在激光发射器，场效应晶体管、传感器、太阳能电池等方面表现出十分重要的应用价值，具有更加广阔的应用前景，并且掺杂不同的的ZnO具有不同的磁性和电子性质。利用外加电场能够调控其形貌以及能带结构。不同方向大小的电场都会对其产生不同的影响，使得ZnO成为一种可以人为调控的半导体材料。
在当今21世纪，各类科学技术飞速发展，很多技术例如信息学、医学、新能源、环保、国防和和高新制造产业的高速发展需要更高要求的材料，元件的体积小型化、智能化、高度集成化、高密度存储和快速传输等都要求材料的尺寸越来越小。纳米材料和纳米结构是如今材料研究领域中最富有活力、发展最快的，并且对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米技术中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。纳米材料和纳米技术的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、新产品设计、新产业的形成及系统产业的改造注入高科技含量提供新的机遇。
研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。把人们探索自然、创新知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。
2 MoS2纳米材料
2．1 MoS2纳米材料的性质
MoS2是一种非常重要的过渡金属硫化物，是常见的固体润滑剂，具有分散性好，不粘结的优点。其可以添加在各种油脂中，形成绝不粘结的胶体物质，能增加油脂的润滑性和挤压性。适用于高温、高压、高转速和高负荷的机械工作中，延长设备寿命。MoS2还有抗磁性，可以作为半导体，具有整流和换能多用，还能作为复杂烃类的脱氢催化剂。同时，MoS2是层状结构，层与层之间是硫原子结合在一起，结合力比较弱，所以很容易滑动，表现出很好的润滑作用，甚至比石墨更优越[7]。
MoS2纳米管是当今研究较多的半导体纳米结构，由于其存在着显著的量子限制效应和表面效应，可以作为新一代光电子器件的构建单元。本文研究了外部应力对MoS2纳米管的电子性质的影响，以促进其在光电领域的应用。 本文系统地研究了外部应力分别对扶手椅型和锯齿型MoS2纳米管的电子性质的影响，其中施加的外部应力又分为轴向应力和径向应力。研究结果表明，在施加轴向拉伸时，两种类型的MoS2纳米管带隙均表现为线性减小；在施加轴向压缩时，两种类型的MoS2纳米管带隙表现出不同的变化规律；而在采用径向压缩时，两种MoS2纳米管带隙变化很小，基本趋于稳定。同时我们发现无论施加何种方向应力，扶手椅型和锯齿型MoS2纳米管的间接或者直接带隙半导体的性质均不变。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:MoS2纳米管,第一性原理,电子性质,半导体
目 录
1 绪论 1
1．1 纳米技术 1
1．2 纳米材料 1
2 MoS2纳米材料 3
2．1 MoS2纳米材料的性质 3
2．2 MoS2纳米材料的制备 5
3 MoS2纳米管的电子性质 6
3．1 引言 6
3．2 研究方法 8
3．3 MoS2纳米管结构优化 9
3．4 MoS2纳米管在轴向应力下的电子性质 10
3．5 MoS2纳米管在径向应力下的电子性质 14
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1．1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology）是上个世纪末期逐渐兴起的一种高新技术，它不同于此前的物理技术，它的研究对象不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。顾名思义，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]。
纳米技术的思想最早源于物理学家理查德费曼在1959年的一次讲座，他认为从分子或者原子出发，能够实现人类对于物质形态的要求；1981年，扫描隧道电子显微镜发明，人类首次能够直接观察到微观分子世界，这对纳米科技的发展产生了极大的促进作用；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。
纳米技术同时也是一门交叉综合学科，也衍生了许多其他包括纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米力学以及纳米材料学等学科。其中，纳米材料的研究和制造是整个纳米技术的核心基础，并已经在许多领域得到充分应用，并且极大的促进了国民经济的增长。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。中国也不甘落后，1993年，中科院纳米物理与器件实验室（原真空物理重点实验室）利用超真空扫描隧道显微镜，在一块晶体硅表面通过探针取走原子，并成功写下“中国”二字，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。当物质在三维空间中，至少有一维到达纳米尺度量级，即1纳米到100纳米（约等于10到100个原子的尺度）之间时，纳米粒子的分子或者原子就处于一种非稳态。这一尺度接近电子的相干长度，并且也接近于光的波长，因此会产生许多方面的表面效应。其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，导致力学、热学、电磁学、光学性质上的显著变化，使得纳米材料表现出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三类：零维（指在空间三维尺度均在纳米尺度），一维（指在空间有二维尺度均在纳米尺度），二维（指在空间中有一维处于纳米尺度）。零维的有纳米尺度颗粒，和纳米尺度团簇等；一维的有纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维的有超薄膜和超晶格等。物质尺度达到纳米量级时，会产生一系列的效应[3]，主要分为以下四个效应：1）体积效应，当纳米粒子尺度比电子德布罗意波长更小时，周期性边界条件被破坏，化学活性、热阻、光吸收、磁性等都较普通粒子发生很大的变化。纳米粒子的熔点比块状本体低很多就是利用到了这一效应。2）表面效应，纳米粒子的表面原子和总原子之比会随着粒子尺度减小而急剧变大。粒子尺寸减小同时还会引起粒子相对表面积、表面能的增加。使得表面原子缺少结合原子，产生大量的悬空键，容易和其他原子结合，从而表现出很强的化学催化活性。3）量子尺寸效应，粒子尺寸减小到一定程度，费米能级接近的电子能级由准连续能级变成分立能级。宏观物体的能级间距趋近于零。而对于纳米尺度的粒子，能级间距发生分裂。在分立量子化能级中的电子波动性会有其他特性，比如高光学非线性，特异的催化和光催化性质等。4）量子隧道效应，微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。上述的几个效应都是纳米微粒的基本性质，这一系列效应导致纳米材料在熔点、蒸汽压、光学性质、超导性及塑性变形等方面有特殊性能。
典型的纳米材料以碳纳米材料为代表，包括富勒烯[4]、金属富勒烯和碳纳米管等。相关研究在20世纪90年代达到高潮，现在进入稳步发展阶段。纳米技术的快速发展要归功于富勒烯和石墨烯等碳纳米材料的发现。目前碳纳米材料已经从富勒烯扩展到纳米角、石墨炔等新材料，并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。氧化锌（ZnO）也是一种常见的纳米材料，由于其具有丰富的形貌结构而成为研究热点[5-6]。现已实现通过利用不同的理化方法来制备各种不同形貌的ZnO纳米结构，例如纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米带、纳米弹簧等。ZnO在激光发射器，场效应晶体管、传感器、太阳能电池等方面表现出十分重要的应用价值，具有更加广阔的应用前景，并且掺杂不同的的ZnO具有不同的磁性和电子性质。利用外加电场能够调控其形貌以及能带结构。不同方向大小的电场都会对其产生不同的影响，使得ZnO成为一种可以人为调控的半导体材料。
在当今21世纪，各类科学技术飞速发展，很多技术例如信息学、医学、新能源、环保、国防和和高新制造产业的高速发展需要更高要求的材料，元件的体积小型化、智能化、高度集成化、高密度存储和快速传输等都要求材料的尺寸越来越小。纳米材料和纳米结构是如今材料研究领域中最富有活力、发展最快的，并且对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米技术中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。纳米材料和纳米技术的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、新产品设计、新产业的形成及系统产业的改造注入高科技含量提供新的机遇。
研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。把人们探索自然、创新知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。
2 MoS2纳米材料
2．1 MoS2纳米材料的性质
MoS2是一种非常重要的过渡金属硫化物，是常见的固体润滑剂，具有分散性好，不粘结的优点。其可以添加在各种油脂中，形成绝不粘结的胶体物质，能增加油脂的润滑性和挤压性。适用于高温、高压、高转速和高负荷的机械工作中，延长设备寿命。MoS2还有抗磁性，可以作为半导体，具有整流和换能多用，还能作为复杂烃类的脱氢催化剂。同时，MoS2是层状结构，层与层之间是硫原子结合在一起，结合力比较弱，所以很容易滑动，表现出很好的润滑作用，甚至比石墨更优越[7]。
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