试论耦合低维纳米功能材料力—电—磁—热—流耦合特性与器件原理****硕士论文

试论耦合低维纳米功能材料力—电—磁—热—流耦合特性与器件原理****硕士论文

文章导读:
摘要:在纳尺度,材料和器件具有与宏观材料和器件迥然不同的奇异特性,掌握其规律是实现纳米技术创新的关键。本文结合近十年关于低雏纳米功能材料局域场与外场耦合和物理力学行为的研究,介绍评述碳纳米管、石墨烯、氮化硼、氧化锌等低维纳米功能材料的力-电-磁-热-流耦合特性和物理力学行为的研究进展,並展望基于这类特殊性能的新型纳米器件的发展前景。

  关键词:低维纳米材料;纳米器件;纳尺度多场耦合;物理力学;多尺度

  1005-2615(2012)05-0629-09

  进入纳米尺度,很多物质展现出新奇的物理特征。在这一尺度下,由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理生化环境等外场间存在强烈耦合,使得传统的器件原理和工艺技术遭遇严重挑战。但同时,这种纳尺度多场耦合使得在宏观尺度只有少量智能材料才具有的力-电-磁-光-热耦合性质在一般纳米材料中广泛存在,出现普遍的纳智能性质,成为新型器件的基础。作者针对低维材料结构的力-电-磁-热-流耦合特性,开展基于量子力学、连续体力学和材料物理的纳尺度物理力学理论、计算与实验研究,在纳智能结构系统,纳器件原理设计和能量转换、能量耗散、驱动原理的纳米技术研究方面取得了一些进展。本文主要结合近期的研究工作,综合评述相关低维纳米功能材料多场耦合智能特性与器件原理领域的进展情况。

  1 低维纳米功能材料的纳尺度多场耦合行为和器件原理

  1.1碳纳米管的力-电-磁耦合特性

  在纳尺度,结构变形和原子间相对运动都会导致物质局域场的变化,同时利用外加电场与物质的局域场耦合也会引起材料结构的电致变形和运动。在非常普遍的碳、甚至一般为绝缘体的氮化硼纳米结构中存在压电和电致伸缩效应等力电耦合性质,而且十分显著。这些特异性质在宏观尺度只有如PZT压电陶瓷、铌镁酸铅基铁电陶瓷等特殊材料中才存在。通过半经验量子力学计算和量子分子动力学模拟,揭示了机械载荷和电场共同作用下碳纳米管的特殊变形行为、电致破坏机理和力电耦合作用对纳米管电学性能的重要影响。随后联合使用更为精确的从头算法和密度泛函理论,计算发现单壁碳纳米管在沿其轴向的外加电场作用下具有超过10%的巨电致伸缩变形(图1),所得到的单位体积功率密度要比已报道的压电、电致伸缩和磁致伸缩材料以及电致驱动聚合物都要高出近3个量级以上,而其功率密度比其他已知材料高出4个量级以上。碳纳米管电子结构的改变和端部电子密度极化是导致碳纳米管电致伸缩变形的主要原因。同时,还发现由碳纳米管展开的石墨烯纳米片也具有超过2%的电致伸缩变形(图1)。2004年,作者受邀为《物理》撰写研究快讯,首次提出了基于局域场与外场耦合的纳米智能材料的概念。基于此,新的纳智能材料不断地被实验发现。2005年,国际上根据作者发现的碳纳米管巨电致伸缩为核心原理设计的纳驱动器件已经出现。最近,德国Maier教授研究组在实验中观察到碳一碳键电致伸长的现象,並认为关于电致伸缩的理论可以用来解释其实验现象。

  1.2硅基底上石墨烯纳米带的磁电耦合效应

  线性磁电效应在磁信息存储和自旋电子学方面有极为重要的应用,但磁电效应主要存在于多铁金属薄膜或者

摘自:毕业论文目录http://www.ihrd.com.cn

过渡族金属氧化物复杂材料体系中,而在以非金属元素为基础的材料体系中这类磁电效应没有任何报道。作者利用第一原理计算发现硅基底上的石墨烯纳米带具有显著的由偏压控制的双段线性磁电效应。将双层锯齿石墨烯纳米带吸附于单晶硅表面。由于与基底的作用,底层石墨烯纳米带磁电消失而顶层的边缘磁性态得以保持。通过对该系统施加偏压,发现边缘磁化随电场强度线性地变化。通过偏压进一步控制石墨带的p-n转换,发现磁电系数可正负变换,导致载体可调的双段线性磁电效应。如图2所示,蓝色箭头表示自旋向上的电子,红色的表示自旋向下的。只要载流子从基底注入磁性石墨稀纳米带层,改变基底和底层的材料和物理参数都不改变所发现的磁电效应。这揭示出一种新的磁电耦合原理:偏压驱动的电荷调制石墨边缘态自旋分裂态,依赖于载流子不同,自旋磁性可以线性提高或消弱。在一个体系中出现磁电系数可正负变换的双段线性磁电效应,其原理和现象都是前所未有的。对该系统进一步深入研究,发现第二层石墨烯纳米带的磁电系数随着纳米带宽度变化体现出有趣的振荡现象。此外,第二层纳米带的能隙可以通过
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