碳纳米材料中紧束缚分子动力学模拟

从碳纳米管发现到现在这十几年间，碳纳米材料已因其丰富的电学、力学、光学和化学特性，逐渐成为凝聚态物理和材料学科的热点课题。准确地理解这些材料的物理化学性质有助于新实验现象的发现和新材料的产生。本项目将利用计算机数值模拟来研究碳纳米管中激发态的驰豫过程以及不同温度下单层石墨片的结构动力学问题。希望通过研究揭示出：1）在碳纳米管激发态驰豫过程中，电子相互作用、缺陷和声子是如何协同作用的；2）量子效应对单层石墨片中的动力学起伏（ripples）和材料结构稳定性的作用。在数值模拟过程中，我们主要使用线性标度O（N）的紧束缚分子动力学，这也是本项目特色之一。这些理论工作有可能为碳纳米管在光电子器件以及单层石墨片在量子器件领域的应用提供理论指导。

碳纳米材料（如富勒烯、碳纳米管和石墨烯等），由于其新奇的光、电、力学和磁性质，在今年来成为了凝聚态物理中重要的研究对象。在这些纳米体系中, 电子的动力学行为对基于碳纳米材料构建的光电器件的性能有着重要的影响。在本项目中我们研究了激发态碳纳米管的非辐射能量弛豫过程，我们发现碳纳米管的光激发会诱导出径向呼吸模声子和纵向光学声子，而两个模式的相对强度和半导体碳纳米管的螺旋指标（n, m）有关。运用大尺度紧束缚模型和第一性原理计算结合的方法我们还研究了氢化单层石墨烯中的电子局域化问题。我们发现氢杂质的吸附在电子能量E=0.14eV处形成了一个共振能级。在这个能量附近，杂质对电子的散射大大加强，使得电子出现安德森局域化现象。用类似的数值方法我们还研究了具有石墨烯相关结构即蜂巢型晶体结构的光子晶体中波包运动所特有的一个现象—Zitterbewegung，表明在这个晶体结构中粒子的动力学行为可以用相对论电动力学来有效描述。这些研究揭示了碳纳米材料独特的电子特性，对今后设计基于碳纳米材料的光电器件具有理论指导意义。然而由于技术方案出现无法解决的困难，项目研究计划中关于石墨烯形变的研究内容无法顺利完成。尽管如此，我们在研究过程中开发的大尺度含时波包动力学算法仍然可以运用到其他量子体系如拓扑超导体的动力学研究中。