聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷的结构和光电性能模拟

? Polymer and catenated compounds of the group 14 elements have attracted a great deal of attention lately due to their tremendous potential in applied fields such as photoconduction and non-linear optical materials. Very recently, a linear oligogermane (phenylisopropyl hexagermane) has been synthesized successfully, which brings about the intensive research interest in organic germanium-containing materials. This project will focus on the structural and physical properties of polygermanes nanowires and linear oligogermanes using the first-principles calculations. The details are listed as follows. Firstly, influence on the structural stability of polygermanes nanowires and linear oligogermanes by different side-chains and substituent effects substituting for ortho-, meta-, para-position of phenyl groups will be explored, based up which their electronic, optical, and transport properties will be studied and give some theoretical clues of designing new application materials in nano-sized optoelectronic devices. Secondly, optical properties will be simulated on the phenylisopropyl oligogermanes with different Ge-Ge chain length to analyze the length effects of backbones on their optical properties. Finally, the electronic properties of polygermanes nanowires and linear oligogermanes will be investigated by applying mechanical strains to test the possibility of tuning or improving their peculiar properties and giving some theoretical references of designing new nano-semiconductor materials.

第IVA族元素有机聚合物是当前纳米和材料科学研究的前沿热点课题，在光电导、非线性光学材料等方面有广泛的应用前景。最近，线性苯基异丙基六锗烷的成功合成燃起了人们对有机锗聚合物的研究兴趣。本项目以探索聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷的结构和物性为目标，采用第一性原理数值模拟研究不同侧基或不同取代基取代苯基邻、间、对位时聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷的结构稳定性，并进而研究它们的电子、光学和输运性质，对其在纳米光电子器件方面的可能应用提供分子水平的材料设计；研究不同主链长度下线性苯基异丙基低聚锗的光学性质，分析锗-锗链长改变对其光学性质的影响；考察力学应变对聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷电学性质的影响，尝试通过改变力学形变大小的方法来实现有目的地调谐聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷电子性能的可能性，为设计新型纳米半导体材料提供理论基础。

经过四年的努力，该项目新型纳米材料的结构预测和物性模拟研究上取得了一些进展。开展的主要研究工作为：.1、采用第一性原理计算了聚锗烷纳米线的线性和非线性光学性质；模拟了聚锗烷纳米线和线性低聚锗烷的红外和Raman谱；研究了不同侧基、主链链长、有机取代基条件下线性低聚锗烷的量子电导。.2、采用密度泛函理论计算预测了两种新的稳定的内嵌金属硼球烯Na@B40和Ba@B40，发现除了尺寸因素，金属与硼原子之间的相互作用也是决定金属原子能否被B40稳定包裹的一个关键因素。.3、通过第一性原理计算预言了非共面反铁磁态的层状材料体系K0.5RhO2可实现量子化的拓扑霍尔效应，且有一个0.22 eV的能隙。.4、基于第一性原理计算研究了一些新型的纳米层状材料，如含氧硫族化合物BiCuOCh (Ch=S, Se, and Te)、卤化多孔磷烯、二维黑磷的衍生材料CaP3等的结构和物性，得到了一系列有意义的结果。例如，发现卤化多孔磷烯具有极好的抗氧化性，并保持了很高的电子迁移率，是一种极佳的宽带半导体二维结构，在纳米电子学和光电子学等领域具有很好的应用前景。.5、利用第一性原理理论计算模拟研究了过渡族金属硫属化合物/碲化物的磁性质和热性质，得到了如下理论结果。Td-WTe2具有极低的热导率，使其可能在热绝缘和热电材料方面有许多应用。ZrSiS具有出众的磁阻性质，可能应用于磁传感器。通过研究温度对WTe2晶格和电子结构的影响，发现热膨胀并不是温度引发的磁阻的快速减小的主要原因。.6、利用第一性原理计算证明了第二类外尔半金属在准经典条件下会出现各向异性的ABJ效应，深化了对第二类外尔半金属材料这一类新的拓扑材料物理的认识。通过理论研究不同体积下ZrTe5和HfTe5的结构和拓扑性质，清楚地证明了当晶体延展时，从强拓扑经Dirac半金属态向弱拓扑的转变，为存异的实验结果给出了一个统一的解释。..受该项目基金资助完成的SCI收录的学术论文共15篇，另有一篇论文已正式被美国化学学会的期刊ACS Applied Nano Materials接受，将于近期发表。 .