碳纳米管分子动力学模拟软件的开发

用分子动力学方法研究了碳纳米管的力学性质,开发了相应的模拟软件－分子动力学模拟软件包（Molecular Dynamics Simulator,MDSIM)。计算使用的原子间相互作用模型是Brenner势和改进的嵌入原子法（EAM）多体势,分子间相互作用模型是Lennard-Jones势。MDSIM软件包含碳纳米管分子动力学模拟所需的数据生成、模拟演化、数据处理和数据查看4个模块,具有较好的可移植性和可扩展性,适合对碳纳米管、C60、金刚石和石墨等材料进行分子动力学。MDSIM软件对扶手椅结构的单壁碳纳米管进行了模拟,结果表明其杨氏模量和拉伸强度大大高于传统的材料。     

分子动力学方法模拟Be高温和高压的状态方程和力学性质

利用分子动力学方法,采用修正镶嵌原子势函数,在两组势参数下模拟Be单晶的等温、等压状态方程.通过径向分布函数,均方根位移随时间的变化分析Be的结构信息.比较两组参数的模拟结果,第一组势参数作用下体系原子间作用较小,较易压缩.两组势参数300K等温压率比较,第二组势参数的模拟结果与实验符合的更好.对于弹性常数,第二组势参数不能考虑温度和压强的影响.用第一组势参数计算Be单晶的弹性常数,根据弹性常数随压强的变化判断材料的低温相变,相变压强为320GPa,与第一性原理计算符合较好;弹性常数随温度增加而减小,与实验结果相符.总体而言,第一组势函数能更全面的反映Be单晶的结构特点.     

Ne－H_2碰撞的作用势研究

用Ｔａｎｇ－Ｔｏｅｎｎｉｅｓ势模型（Ｔ．Ｔ，势模型）构造了Ｎｅ－Ｈ＿２碰撞系统的势函数，并计算了相应的势参数．势阶参数和势能曲线的计算结果与实验数据较好地符合．     

高温高密度氦的物态方程及相互作用势

基于热力学统计方法,用改进的分子流体微扰变分统计理论,考虑体系的低温量子力学效应,计算了高密度液氦在0．7～108GPa压力范围内的物态方程．计算结果与实验数据符合较好．结果表明,α=13．1的EXP-6势比其他势更能精确地描述氦原子间的相互作用;另外,将该势函数与其他势函数的差异进行了比较和分析．     

取向构元组集模型的弹性损伤理论

“对泛函势”是多种材料势能的很好近似．在计算材料势能过程中,分别由对势和嵌入势抽象出取向构元和体积构元,这两种构元的能量和就是材料的势能．材料损伤的本质是原子键合力的破坏,由于取向构元是原子间键的抽象,反映在构元层次上,损伤是构元刚度的减小．组集所有构元的响应函数,得到了材料的弹脆性损伤本构关系,这种基于构元组集的材料本构被称为“取向构元组集”材料模型．理论分析和数值实验表明,本模型具有概念清晰,物理直观,以及表示各向异性自然等特点．     

吸附诱导表面应力的分子动力学模拟

应用分子动力学方法结合镶嵌原子势,模拟研究了同质吸附Cu/Cu(100)和异质吸附Al/Ni(100)纳米薄膜中的吸附诱导表面应力.结果表明吸附原子对表面应力的影响主要源于两种原子间的相互作用;吸附原子和底物表面原子的结合将导致底物表面原子之间的化学键的强度减弱和平衡键长增加,从而导致表面压应力增加;吸附原子之间的相互作用也导致表面应力的变化,吸附原子间的吸引作用导致表面拉应力,而排斥作用导致表面压应力.这两种原子间相互作用所引起的表面应力与吸附原子的密度密切相关,吸附原子与底物表面原子的结合所引起的表面应力的大小与吸附原子的密度成线性关系,而吸附原子间的相互作用所引起的表面应力与吸附原子密度间呈非单调的依赖关系.     

金属及合金中的原子间相互作用势

对金属中原子间相互作用势的研究及发展概况做了综合评述．介绍了在各种金属及合金中各种势函数的应用范围以及存在的问题，总结了近年来金属合金中原子间相互作用势的应用情况，在此基础上讨论了金属中原子间相互作用势的发展方向．     

晶体热膨胀的研究

微观研究发现,晶体热膨胀应是原子非简谐振动的宏观表现。进一步分析原子间相互作用力,将原子间相互作用势按泰勒级数展开后与线膨胀系数定义式结合,得到一线膨胀系数的具体计算公式。原子相互作用势取Morse势,计算NaCl晶体的线膨胀系数,结果在室温和高温条件下与实验值均符合较好。     

Li、Na、K与He原子系统相互作用势的理论研究

首先求Na-Na、K-K相同原子间Born-Maye势参数,利用TT势模型和边界条件,从色散系数、势阱位置与深度出发,导出Na、K与Ne不同原子间的势参数,再从Na-Ne、K-Ne原子系统出发,利用组合规则计算出Na、K相同原子间的势参数;然后研究Li-He、Na-He、K-He原子系统,利用电荷密度重叠积分与组合规则,从相同原子间势参数计算不同原子的势参数.最后采用TT势模型构成Li、Na、K原子与He原子间的全程势能曲线.     

He-HF碰撞体系相互作用势模型的理论研究

根据在CCSD(T)/aug-cc-pVQZ理论水平下计算的He-HF相互作用能的数据,作者用Murrell-Sorbie势函数形式构造了He原子与HF分子相互作用各向异性的势模型,并与其它势模型进行了比较;然后采用公认的精确度较高的CC近似方法,计算了He-HF碰撞体系的微分散射截面,计算结果与实验结果符合较好.研究表明,作者所构造的势模型不但表达形式简洁,而且能较好地描写He-HF系统相互作用的各向异性特征;利用碰撞体系分子间势的量子化学从头计算结果,可解决势能参数难以确定的问题.对进一步研究原子与分     

含单空位的(10,10)碳纳米管的振动性质和拉曼谱

运用Brenner经验势计算了碳原子间力常数和具体的振动模式,在此基础上利用经验键极化模型计算了含有单空位的(10,10)碳管的非共振拉曼谱.计算结果表明,单空位造成的局域模式所对应的拉曼峰位于完整碳管的G带之外,因此,在实验上可以用这一特性来探测碳管中的单空位.同时,当单空位浓度较小时,碳管的管径几乎不发生变化,仅仅是在拉曼谱中R带上劈裂出一些新的峰,这一现象主要源自于空位带来的对称性破缺.     

甲基修饰单壁碳纳米管的几何结构、束缚能和电子结构

采用brenner经验势通过计算甲基吸附在碳纳米管上吸附能的方法找到了甲基修饰单壁碳纳米管最稳定的几何结构，并且发现甲基吸附在单壁碳纳米管上吸附能随着碳纳米管的直径的增加而减少，最后运用从密度泛函紧束缚方法计算了甲基修饰碳纳米管的电子态密度，发现当甲基修饰碳纳米管后，碳纳米管在费米能级附近出现局域态，改变了碳纳米管的光电特性，因此，甲基修饰的单壁碳纳米管有可能成为制造纳米发光元器件重要原材料之一．     

基于能量法的单层固支碳纳米管频率预测

以非局部弹性理论为基础,同时考虑碳纳米管小尺度效应,采用欧拉-伯努利梁模型建立有外加预应力情况下单层碳纳米管的动力学控制方程,并给出其振动频率精确解,进而基于能量法给出单层碳纳米管振动频率近似解,最后通过具体算例将其精确解与近似解进行比较。结果表明,外加预应力的大小、碳纳米管模态数以及小尺度参数均影响单层碳纳米管振动频率预测值的准确性。     

小口径单壁碳纳米管的最低光学声子模

扶手型及锯齿形单壁碳纳米管的最低光学声子模并不一定是E_2g或E₂模.对于轴向晶格常数比横截面周长大的单壁碳纳米管来说,其最低光学声子模是垂直于其轴向方向振动的一种驻波.通过基于经验势函数的模拟计算,确定这种光学声子模的能量是正比于碳纳米半径的.     

氧化锂的作用势的构建及研究

采用分子动力学方法拟合了氧化锂（Li2O）的解析型键序相互作用势（BOP）,用拟合得到的作用势测试了锂的结构稳定性和力学性能,发现与实验符合.并用这套作用势测试了氧化锂的一些物理性能和缺陷形成能.     

原子空位缺陷对扶手椅形单层碳纳米管轴压屈曲性能的影响

采用分子动力学方法,分别对含单、双原子空位缺陷的扶手椅形单层碳纳米管及其完善结构进行轴向压缩的数值模拟,对比两种长度纳米管在不同温度条件下的承载性能.模拟结果表明,温度越低、碳纳米管的长度越长,完善纳米管屈曲强度的温度依赖性越显著.管壁缺陷显著降低了纳米管的承载能力,而且含缺陷碳纳米管的屈曲性能对温度变化并不敏感.     

化学势对模拟计算单壁碳纳米管储氢的影响

对计算化学势的Widom测试粒子方法进行了改进.采用改进后的Widom测试粒子方法和周期边界流体系统的压力算法,研究开放系统的化学势随压强的变化,给出了具体的函数关系,并证明了其正确性.在此基础上,通过巨正则蒙特卡罗模拟,仔细地分析了化学势对模拟计算单壁碳纳米管储氢的影响.计算结果表明,化学势的偏差对模拟计算单壁碳纳米管储氢有着非常显著的影响.     

碳纳米管物理吸附储氢的势能效应与空间效应

采用巨正则蒙特卡罗方法模拟氢分子在碳纳米管及其阵列中的存储过程。通过定量分析计算结果,指出碳纳米管储氢的物理吸附机制,可用势能效应和空间效应描述。势能效应源于碳氢和氢氢之间的相互作用,空间效应则来自碳纳米管及其阵列的中空结构。利用两种效应的最佳组合,可获得理想的储氢效果。     

单壁碳纳米管的超导电性

阐述了电弧法制备单壁碳纳米管以及在单壁碳纳米管内实现超导态的实验方法。对用电弧法制备碳纳米管的实验条件、实验过程和实验产物进行了讨论。此外，分析了用、接受诱导法”实现碳纳米管的超导电态的具体条件，即将单壁碳纳米管束或单个碳纳米管嵌放在两个超导电极之间，在一定的条件下，有可能在碳纳米管内诱导出超导电流，已有的实验显示碳纳米管内的超导电流的临界值较大，并表现出特殊的对温度和磁场的依赖性。“接近诱导法”打开了探索碳纳米管超导性质的大门。     

面向SWCNT-FET制造的介电泳装配技术

针对单壁碳纳米管(SWCNT)场效应晶体管(FET)制造过程中面临的SWCNT装配问题,采用介电泳技术实现SWCNT在微电极上的有效装配.对SWCNT在非均匀电场中所受到的介电泳力进行了相关理论分析,利用COMSOL多物理场耦合软件模拟了介电泳驱动电场,并做了大量装配实验,获得了高效装配SWCNT所需的实验参数.AFM扫描观测及电特性测试验证了这种方法的有效性,同时也为其他一维纳米材料纳电子器件的装配制造提供了借鉴.