题目：Cu纳米线和Cun@(8,8)SiCNT纳米缆的第一性原理研究

一些具有高表面体积比的纳米材料，如纳米棒，纳米管和纳米线等低维结构，其特性都得到了大量的实验研究，因其不同于块体材料的性能,是许多纳米理论和实验研究工作的重点。Cu纳米线，作为金属纳米线的典型代表，具有一些新颖的物理现象和性能，如电导量子化和尺寸效应等，具有极其重要的应用研究价值，可作为研究一维纳米材料的理想的模型系统。铜纳米线暴露在空气中，容易发生氧化反应失去原有的特性，因此需要构造纳米缆结构对其进行保护。本文在密度泛函理论原理的基础上，运用第一性原理计算，在广义梯度近似下，采用投影缀加波赝势方法，首先对从铜块体中沿[001]晶向切出的不同线径的一维Cu纳米线的结构构型和电子特性进行了简单的研究，对纳米线表面产生的一些现象给予分析；而后我们对Cun@(8,8)SiCNT复合结构的纳米缆系统的电子特性进行了详细的理论研究与分析，取得了一些实用性的结论：
(1)我们所研究的5种尺寸的纳米线结构，在进行弛豫计算后，仍然有C4旋转轴对称；弛豫方向为顶角的原子的向内大幅度弛豫，而边长上的其他原子向内小幅度弛豫，我们称之为“倒棱”现象。进一步的，可以得知，原子的弛豫距离与到纳米线中心轴线的距离存在着线性关系，随着距离的增加而增大。此外，虽然多数原子都向内弛豫，但是弛豫的方向有所不同。具体来说，除了4条对称线上的原子在弛豫之后仍然处在一条直线上，原本在一条直线上的其他原子在弛豫之后不在一条直线上，也即在表面出现了“皱褶”。分析态密度分布，原子的总态密度主要是由d轨道贡献，而且，在费米能级以上，总态密度的曲线值都非常小，而且很相似；在费米能级以下，总态密度曲线按原子的配位数依次减小的顺序，呈现出在低能级区域压低，而在高能级区域抬高的现象；因此我们可以得出结论：原子的配位数越小，费米能级以下，低能级区域占据的电子个数越少，而在高能级区域占据的电子个数越多。由于表面系统产生的效应，表面原子的配位数比相应在体相材料中的配位数小，就引起了表面电子的电荷的重新分布。因此，表面原子之间和与其最近邻的原子之间有着明显增强的相互吸引作用，称之为“趋肤效应”。这个效应，使一维纳米材料的强度、韧度和弹性模量等物理特性要比相应块体材料中的性能强。
(2)系统地研究了[001]晶向的不同线径的四方形Cu纳米线填充SiCNT构成的纳米缆复合结构的电子特性。对于Cu5@(8,8)SiCNT和Cu9@(8,8)SiCNT纳米缆，初始结构在优化后基本保持不变，而Cu13@(8,8)SiCNT纳米缆，由于管-线间的强烈耦合作用，使得优化后不仅纳米管横截面形状发生变形而且纳米线与纳米管绕公共轴发生了相对旋转。三种Cun@(8,8)SiCNT纳米缆的结合能均为负值，表明这三种复合纳米缆的形成过程均是放热的、是能够稳定存在的，但是Cu5@(8,8)SiCNT和Cu9@(8,8)SiCNT结构，其结合能非常小，表明管-线间的相互作用非常弱，而Cu13@(8,8)SiCNT的纳米缆，其结合能较大，表明在该结构中，管-线间的相互作用非常强烈。Cu5@(8,8)SiCNT和Cu9@(8,8)SiCNT这两个纳米电缆，结构在费米能级附近处的能带几乎就是其组成成分(内部的Cu纳米线和外部SiC纳米管)能带结构的简单叠加；而Cu13@(8,8)SiCNT纳米缆，由于较大线径的Cu13纳米线中的第三壳层Cu原子与外部纳米管中C原子之间的杂化，使得其能带结构不再是组成成分的简单叠加。分析系统的投影态密度和电荷密度两方面可知，Cu13@(8,8)纳米缆结构中外部SiC纳米管中Si原子尤其是C原子的电子会影响内部填充的Cu纳米线的电子电导，电荷分布在Cu原子和外部的Si原子尤其是C原子之间存在着较大范围的交叠，而在Cu5@(8,8)SiCNT和Cu9@(8,8)SiCNT结构中，内部的Cu5、Cu9纳米线和外围的SiC纳米管间不存在电荷的交迭，传导电子只分布在填充在内部的Cu纳米线区域，因此电子仅在内部的Cu纳米线上进行传输，而外围惰性的SiC纳米管只是起到了一个半导体电缆保护壳的作用。考虑到纳米缆系统结构结合能量的最低化以及纳米管填充率的最大化，Cu9@(8,8)SiCNT复合结构是理想的纳米缆系统，可应用于要求稳定传输电荷的超大规模集成电路（ULSIC）和微机电系统（MEMS）中。