单层和双层氧化锌纳米管的稳定性和电子性质

运用第一性原理方法研究了单层和双层ZnO纳米管的结构稳定性和电子性质.结果表明,单层管的稳定性随着纳米管直径的增大而增大,而双层管的稳定性几乎与纳米管的直径和厚度无关,并且双层管的稳定性比单层管高.所有纳米管都显示了直接带隙半导体特性.其中,双层管的带隙比单层管的带隙大,并且几乎与纳米管的直径和厚度无关.由于量子尺寸效应,纳米管的带隙比纤锌矿体材料的带隙大.     

纳米材料体等离子能的尺寸与维度效应

通过考虑能隙的尺寸效应,建立了纳米材料体等离子能的尺寸和维度效应模型.该模型无任何可调参数,并且可以预测纳米材料的体等离子能随尺寸和维度的变化规律.模型预测结果表明,体等离子能随着材料尺寸的减小而增大,而且相同尺寸的纳米材料由于表面体积比的不同,纳米线的增大趋势强于纳米薄膜而弱于纳米粒子.模型预测结果与实验结果的一致性表明模型的有效性,并证实了体等离子能的增大起源于能隙的增大.     

一维声子晶体的振动特性研究

利用平面波展开法计算了6种不同材料组分的一维杆状结构声子晶体振动带隙,分别讨论了晶格的尺寸大小、两种复合材料的组分比以及材料的密度等对声子晶体振动带隙频宽的影响.结果表明:在晶体的晶格尺寸大小、两种复合材料(金属和非金属)的组分比不变的情况下,振动的第一带隙的初始频率随着金属密度的增大而减小,截止频率基本不变;当所选材料的组分比不变时,随着晶格尺寸的增大,一维二组元复合声子晶体的振动带隙的初始频率及截止频率减小,同时带隙的频宽也随之减小;而当材料组分比小于1时即所选金属材料的份数小于非金属时,随着金属材料量的增大,振动带隙的初始频率及截止频率减小,从而带隙的频宽也减小;而当材料组分比大于1时即金属材料的份数大于非金属时,振动带隙的初始频率增大,截止频率减小,以及带隙的频宽也随之减小.     

合成条件对In2O3纳米线阵列结构及气敏性能的影响

用SBA-15硬模板复制技术在不同温度下制备具有纳米线阵列结构的In₂O₃系列样品.利用X射线衍射仪、场扫描电子显微镜和紫外可见光光度计对样品的晶体结构、晶粒尺寸、晶胞参数、形貌及带隙宽度等进行表征,并测试分析样品对乙醇气体的气敏性能.结果表明：样品均为球形纳米In₂O₃晶粒有序排列生长组成的三维纳米线阵列结构;随着烧结温度的增加,样品的晶粒尺寸和纳米线直径增大,纳米线间距减小;当烧结温度为450～650℃时,样品的晶胞参数和带隙宽度随烧结温度的增加分别呈增大和减小趋势;当乙醇气体质量浓度为1×10^-4 mg/L,测试温度为320℃时,450℃烧结In₂O₃样品的灵敏度最大为50.59.     

过渡金属掺杂ZnO纳米线结构、电子性质和磁性质

本文采用密度泛函理论系统地研究了过渡金属原子Co和Ni单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的结构、电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂过程是放热的. Co原子趋于占据纳米线中间位置,而Ni原子趋于占据纳米线表面位置.所有掺杂纳米线能隙都小于纯纳米线能隙,并显示出直接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于磁性原子的贡献. Co掺杂纳米线出现了铁磁和反铁磁两种耦合状态;而Ni掺杂纳米线出现了铁磁、反铁磁和顺磁三种耦合状态.     

表面化学修饰对氧化锌纳米线电子性质的影响

通过第一性原理密度泛函理论计算,系统研究了在对不同尺寸[0001]ZnO纳米线的{0110}侧面进行化学修饰(存在悬挂键、完全氢钝化、完全氟化)时所引起的纳米线电子性质的变化情况.结果表明,相比较于量子限制效应,表面化学修饰对ZnO纳米线电子结构的影响更加强烈,而纳米线带隙的具体变化趋势则与修饰原子的种类有关.并进一步讨论了产生这种变化的物理机制.     

掺Ho纳米TiO2粉晶的结构及光学特性

采用溶胶一凝胶法制备了掺lat%Ho的纳米TiCl2粉末,并分别在400℃、600℃与800℃下对样品进行热处理,通过XRD和紫外可见吸收测试,对掺杂纳米TiO2粉末的晶体结构与光学性质进行了研究.分析发现掺杂提高了样品的相变温度,减小了样品的晶粒尺寸,使样品的吸收明显增强,光学带隙增加.而且随着热处理温度的升高,样品的晶粒尺寸增大,晶格常数a值减小,c值增大,吸收减小而光学带隙增大.     

高压下XeF2结构稳定性及电子结构性质的理论研究

采用平面波赝势密度泛函理论方法研究了惰性气体化合物XeF2在0~80GPa压力范围内的结构性质,计算值与实验值相符合.根据我们计算得到的不同压力XeF_2的弹性常数,结合力学稳定性判据,证实XeF_2的I4/mmm结构在80GPa压力范围内是稳定的.计算了不同压力下XeF_2的带隙,发现带隙随着压力的增大而减小.当压力大于10GPa时,XeF_2的带隙随压力的增大近似呈线性减小趋势.表明随着压力的增大XeF_2晶体由绝缘体向半导体转变,且金属性越来越强.     

二维固-固Suzuki晶格声子晶体薄板弯曲振动特性的研究

利用有限元法计算了二维Suzuki晶格声子晶体薄板弯曲振动的带隙结构及传输特性,讨论了填充率、板厚对Suzuki晶格声子晶体板带隙的影响.计算结果表明:Suzuki晶格声子晶体薄板存在振动带隙,即在散射体密度较大时,5000Hz以下存在一个完全带隙、多个方向带隙;Suzuki晶格声子晶体板带隙宽度随着板厚的增大而加宽,随着填充率的增大带隙宽度先增大后减小.     

钠纳米线的结构与电子特性

将密度泛函理论基础上的第一性原理计算同经验分子动力学模拟相结合系统的考察了晶状和螺旋两类典型钠纳米线的结构特征和输运性质.对纳米线的力学和热学稳定性分析表明,螺旋线的综合稳定性优于晶状线.而根据量子电导的计算,纳米线的电导总体上随着线径的增大而增加,并且晶状线比螺旋线具有更多的电导通道.     

非定向氧化锌纳米线阵列的场发射

使用热蒸发的方法在硅基底上制备了非定向氧化锌（ZnO）单晶纳米线阵列。经过热蒸发之后,在硅基底上形成一层均匀分布的 ZnO 点。在这些 ZnO 点上生长出非定向的 ZnO 纳米线阵列,其中的纳米线直径大约在 10 到 20nm 之间。考虑到实用,在制备样品的过程中硅基底的温度始终保持在 500℃ 以下。然后测量了这些非定向 ZnO 纳米线阵列的场发射特性。在 5.5V·μm^-1 场强下得到了 10μA·cm^-2 的场发射电流密度;同时使用透明阳极技术观察了其场发射中心的分布。     

单根In掺杂的n-ZnO纳米线/p+-Si异质结的紫外电致发光

采用化学气相沉积的方法在In_0.1Ga_0.9N衬底上生长出In掺杂的n-ZnO纳米线阵列。电学输运测量得到单根n-ZnO纳米线的电阻率为0.001 Ω cm,比同样方法在GaN衬底上生长的ZnO纳米线低约20倍。这个结果表明来自于In_0.1Ga_0.9N衬底中的In原子在高温生长过程中可能被掺入ZnO纳米线。制备成功单根n-ZnO纳米线/p⁺-Si异质结构并研究了其电致发光特性。室温下电致发光光谱中可以看到一个窄的ZnO激子峰（约380 nm）和一个中心位于700 nm 的来自Si衬底表面自然氧化硅发光中心的发光峰。     

Ten years＇ venturing in ZnO nanostructures： from discovery to scientific understanding and to technolosy applications

Zinc oxide is a unique material that exhibits semiconducting, piezoelectric and pyroelectric multiple properties. Nanostructures of ZnO are equally important as carbon nanotubes and silicon nanowires （NWs） for nanotechnology, and have great potential applications in nano-electronics, optoelectronics, sensors, field emission, light emitting diodes, photocatalysis, nanogenerators, and nanopiezotronics. Ever since the discovery of nanobelts （NBs） in 2001 by my group, a world wide research in ZnO has been kicked off. This review introduces my group＇s experience in venturing the discovery, understanding and applications of ZnO NWs and NBs. The aim is to introduce the progress made in my research in the last 10 years in accompany to the huge social advances and economic development taking place in China in the last 10 years.     

ZnO超微粒子膜的形成因素及三束表面改性对其形貌,结构的影响

用直流气体放电活化反应沉积法，制备了ＺｎＯ超微粒子（ＺｎＯＵＦＰ）。讨论了影响ＺｎＯ ＵＦＰ的形成因素；研究了三束（离子束、电子束、激光束）表面改性及等离子体、退火处理对ＺｎＯ ＵＦＰ的形貌和结构的影响。结果表明，ＺｎＯＵＦＰ有长大趋势，局部变成致密连续；且在激光束作用下ＺｎＯＵＦＰ出现析晶，同时原有的晶面择优生长趋势受到抑制，晶粒长大。     

氧化锌压敏陶瓷击穿的几何效应与微观结构的关系

采用两面磨薄试样的方法，研究具有不同击穿场强的氧化锌压敏陶瓷的击穿场强与Ｅ１ｍＡ与厚度的关系，得到了击穿中场强Ｅ１ｍＡ随厚度变化的几何效应规律，利用光学显微方法，观测试样微观结构并用ＺｎＯ晶粒工度的分散度和平均晶粒长宽比作为微观结构特征参数表征ＺｎＯ晶粒尺寸分布的不均匀性和形状的不规整性，研究表明，临界厚度ｄ０与ＺｎＯ晶料尺寸的分散度成正比；斜率ｂ２与平均晶粒长宽比也成正比，建立了宏观电性能与微观     

溅射气压对射频磁控溅射制备ZnO薄膜结构的影响

采用射频磁控溅射技术在玻璃衬底上制备ZnO薄膜.利用X射线衍射仪、原子力显微镜,分析了ZnO薄膜的晶体结构和表面形貌.结果表明:所制备的 ZnO薄膜是具有(002)晶面择优生长的多晶薄膜.溅射气压为0.3Pa时,薄膜的晶粒尺寸较大,结晶度提高.     

生长温度对S掺杂ZnO特性的影响

S掺杂在ZnO材料中引入Zn空位，会对可见光的发光起到增强的作用。利用水热法制备了纤锌矿结构的S掺杂ZnO，随着生长温度的提高，ZnO晶粒的尺寸由1.2 μm提高到了2.3 μm，样品由低温下各晶粒的均匀生长变为某些晶粒的优先生长模式。在荧光光谱中，紫外和可见发光均得到了增强，且可见光发光的增强要明显大于紫外发光，这表明生长温度的提高会改善晶体的质量，同时S的存在也将会使样品中的Zn空位迅速增多。S掺杂ZnO导致的可见光发光的增强可以使ZnO材料在可见光发光器件中得进一步到的应用。     

溶胶-凝胶法制备ZnO及Fe掺杂ZnO薄膜及其表征

采用溶胶-凝胶法在玻璃基体上制备了ZnO和Fe掺杂ZnO薄膜,并通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪和紫外-可见分光光度计对所制备薄膜的表面形貌、结构和光学性能进行分析。结果表明,2种薄膜均表面光滑,为沿(101)晶面取向的纤锌矿结构;与ZnO薄膜相比,Fe掺杂ZnO薄膜表面更光滑,且晶粒尺寸从58.512nm减小到36.460nm;另外,Fe掺杂后,沿(101)晶面的取向程度减弱,且禁带宽度由3.1eV增大到3.4eV。     

Mn掺杂ZnO纳米颗粒制备及磁性研究

采用溶胶—凝胶法制备了Mn掺杂的ZnO,采用X-射线分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)等手段,对样品进行了表征。结果表明:粉体中MnO2的含量较小,主要以小团簇的形式均匀的弥散在ZnO中;Mn掺杂ZnO纳米颗粒的晶粒尺寸与Mn的掺杂量无关,但是与热处理温度有关;VSM测试结果表明样品具有室温铁磁性,样品的饱和磁化强度随Mn的掺杂量的增加,先增大后减小,在2%时,样品的饱和磁化强度达到最大值。