纳米固体表面与界面的键弛豫理论

近年来随着纳米材料表面与界面研究的深入，涌现出许多新奇的物理现象，并且展现出一些重要的潜在应用。但是，由于这些新现象无法在现有的理论框架内得到很好的理解，使得人们很难在理论上预测这些新奇物性应用于器件的优越性，这就迫切地需要人们发展新的纳米材料表面与界面理论解决上述科学问题。本项目拟在我们所发展的纳米材料体系表面与界面能的热力学理论基础上，研究纳米固体在外场（应力、温度及电场等）作用下原子间键的弛豫和振动机理，发展一种能够处理纳米固体表面与界面性质的普适性的、原子层次的理论工具-键驰豫理论。我们通过计算其本征及不同外场条件作用下的电子芯能级、表面能态、带隙能量和声子振动模式等性质，揭示体系的力学、热力学和光电子学等物性中出现的新现象和新规律的物理机制，同时，采用第一性原理计算作为计算机模拟实验来验证所发展的键弛豫理论。

纳米固体的表面界面以及相关物性调控是当前凝聚态物理和材料物理领域中的一个前沿研究课题。这是由于纳米固体体系具有独特的结构特征（含有大量的表、内界面），能为深入研究表/界面结构与性能提供良好的条件。通常纳米固体是处在热力学常态下的一类亚稳相材料，由于它们表现出相应的稳态材料所不具备的优异性能而倍受人们关注。处于亚稳态的纳米固体体系，其表/界面层原子的配位不足及无序将诱导体系原子键间驰豫，使体系处于自平衡状态，相应的理化性能与宏观体材料相比具有明显的差异，且表现出许多不同于宏观体材料的奇异物理、化学特性和潜在应用。但是，纳米固体的表界面原子键参数和相关性质的解析关系一直不清楚。基如此，本项目的主要研究结果如下：(1) 在前期研究的基础上，建立了原子层次的纳米固体表面与界面的键弛豫理论模型； (2) 与基于密度泛函理论的第一性原理计算相结合，探索了在应力和温度场作用下的纳米固体表、界面及相关力、热和光电子学等相关物理性能可控调制的物理机制；(3) 建立了在应力和温度场作用下的宏观可观测性能和微观原子键参数之间的解析表达。所得结果在增进人们对纳米固体表面与界面更深刻理解的同时，为纳米固体的器件应用和设计提供理论基础。. 该项目的科学意义主要在于发展了新的理论工具，用于预测和控制纳米材料体系的性能以及在样品尺寸、外界温度和应力等外场变化时的行为。澄清了一系列边缘效应对纳米固体相关物性的影响和可控调制的理论机制，以及外场作用的物理本质等。