表面吸附与生长的第一性原理研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文万方数据表面吸附与生长的第一性原理研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：王准准凝聚态物理李震宇教授二。一四年九月．栩≯惮归、7万方数据UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeFirst·-PrinciplesStudiesofSurfaceAdsorptionandGrowthAutllor’SName：Speciality：Supervisor：Fillishedtime：Zhunz

2、hunWangCondensedMatterPhysicsProf．ZhenyuLiSeptember,2014万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：．L准益垂签字吼韭丝卜中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使

3、用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：羔垂猛f车：!!：埠导师签名：豸丝签字日期：!丝!兰：望万方数据攒二要摘要随着实验上对材料表面问题研究的深入，人们已经取得了丰富的研究成果，但在原子尺度，对表面吸附扩散等过程，实

4、验上很难直接观测。因此基于第一性原理的计算模拟成为非常重要和有效的手段。通过计算可以得到原子尺度上表面反应的精确细节有助于理解反应的微观机制，对于实验中不同条件环境下的现象和结果也能给予很好的预测和解释。本论文主要通过基于第一性原理的DFT计算研究了若干表面吸附体系，包括ZnO两个极性表面的生长机理研究，碳化物的形成对石墨烯生长影响，Cu(110)表面石墨烯生长的中间产物的研究，石墨烯上VOPC分子的吸附等问题。ZnO作为宽带隙直接半导体，室温下带隙约为3．37eV。其纳米材料在光电、压电、自旋电子器件等方面都有很

5、广泛的应用，近期引起人们广泛的关注。ZnO纳米材料生长方式多样，其中气相传输方式是一种高效生长高质量纳米线、纳米梳等纳米阵列的生长方式。ZnO纳米结构(纳米线、纳米梳等)在生长中多以两极性表面(000±1)为终端，且生长方向垂直于此极性表面。两极性表面虽然结构类似，但是不论是生长初期的成核，还是生长过程中观察到的现象，亦或是生长后退火观察到的表面形貌都有很明显的差异。如何理解两极性表面在生长中表现出的各种特征，以实现进一步调控ZnO纳米结构微观生长是一个很有意义的问题，也是本论文的一个研究重点。本论文研究的另一个重

6、点是石墨烯生长机制中的一些问题。自从石墨烯以机械剥离的方式从高定向热解石墨中获得以后，掀起了研究石墨烯的热潮。石墨烯因其诸多优良的电子机械性质，如反常量子霍尔效应(QHE)，长程弹性输运，高电子迁移率，带隙可调节性，高弹性和本征强度等，在很多方面都有重要应用，例如微电子和自旋电子器件，传感器，超级电容器，为多功能复合材料建立模块和机械结构方面等。因此为了生长高质量的石墨烯，实验和计算对其生长机制做了很多研究。本论文主要研究了其中两个问题，一个是过渡金属碳化物的形成对于石墨烯生长的影响，一个是在Cu(110)表面石墨

7、烯生长的中间产物。第一章首先简要介绍了密度泛函理论，主要包括交换关联泛函的介绍以及近几年发展的几种范德华修正方法。然后介绍了反应动力学中的过渡态理论及如何搜寻过渡态。最后介绍了本论文工作中用到的STM模拟的实验和计算方面的内容。包括计算中STM模拟的处理方法和实验中STM测量的基本原理。第二章是对ZnO两极性表面(ooo+1)生长机理的研究。通过对两极性表面吸附Zn。O，(x+y=卜6)小团簇的结构和形成能对比，我们发现很多有趣的结果。T万方数据摘要(O001)以zn为终端的表面，在初始阶段0原子先吸附到Hollo

8、w位，然后zn原子才吸附生长，同时很多团簇形成类似体相的稳定结构。而(000i)以O为终端的表面，情况与(O001)表面完全不同。zn团簇的优先吸附会使表面的O拉出并形成笼状结构。在包括Zn和O的团簇中，O直接与表面成键，并且没有接近体相的团簇结构出现。通过这些表面团簇吸附行为的研究可以帮助理解ZnO两极性表面的生长速率和表面粗糙差异等实验问题。第三章主要是