氧化锌低维纳米结构的第一性原理研究

氧化锌(ZnO)低维纳米结构作为单元构件，是构成未来的纳米电路、纳米自旋电子器件、纳米光子器件、以及纳米机电系统等的基石。本项目以备受人们关注的ZnO纳米结构为研究对象，基于量子力学的第一原理密度泛函理论，借助现代超级计算机开展大规模并行计算和数值模拟，围绕ZnO低维纳米结构中亟待解决的问题进行深入具体的研究。分析二维ZnO纳米薄膜的压电性能、弹性性能及能带隙的尺寸效应和形成机理；探索一维ZnO纳米线的压电性能、弹性性能的尺寸效应及形成机理；研究零维ZnO纳米团簇的可能构型、相互转化机制及其物性；初步阐明ZnO低维纳米结构中尺度和维度效应的主要成因并建立相应的物理机制模型。为明确各种ZnO低维纳米结构中由于尺寸减小而导致的各种纳米结构的奇异物性的演变规律提供理论依据，为将来的ZnO基纳器件与系统的研发及应用提供理论基础。

本项目应用基于第一原理的密度泛函理论，对ZnO及其低维纳米结构的结构特性、压电性能、弹性性能等基态性能进行了系统地计算分析。研究表明，在低维纳米结构中，量子受限效应和表面效应对于材料物性其起着关键的调节作用，对于课题研究的纳米级别的ZnO薄膜来说，电子被强烈地限制在 slab 以内。通过基于密度泛函理论的 Berry相极化计算方法，对 ZnO 纳米薄膜的压电性能的尺寸效应进行了计算和分析。研究表明，二维ZnO纳米结构的等效压电系数、等效弹性系数及表面能等物理特性随着纳米结构厚度的增加呈现抛物线形式变化（增大或减小），最终随着薄膜厚度的增加趋近于体块材料的物性值。基于GW方法的计算表明，一维ZnO纳米线具有宽带隙半导体材料的特征能带结构，其带隙随着纳米线直径的增大而减小。在研究的直径从约0.3nm到5.0nm 的纳米线中，其对应的带隙由3.68eV下降到3.39eV。基于对[0001]方向ZnO纳米线模型的计算表明，低维纳米结构中大的比表面积可能是可能是造成纳米线尺寸效应的主要原因。ZnO零维结构在几何优化后，体块结构中的Zn-O双层结构将变成Zn和O原子同处一层的单层结构，在团簇边界上的悬键数量是影响结构稳定性的因素，也使得ZnO团簇的几何优化过程中结构相变的发生是经常存在的。