薄膜量子尺寸效应对超导特性和纳米摩擦特性的影响研究

本课题从电子层次研究原子分子吸附层在Pb和Pb合金薄膜表面运动所受摩擦大小变化规律。探讨由量子尺寸效应对摩擦规律的影响和调制。一方面采用第一性原理计算方法，研究Pb和Pb合金薄膜对表面声子谱和电声耦合的影响与调制；并利用唯象模型给出电声耦合与超导特性的关系，预言不同厚度的量子薄膜对表面声子摩擦的影响。另一方面研究不同厚度的Pb或者Pb合金薄膜对单层薄膜所表现出的电子摩擦力的调制作用；探讨Pb薄膜的量子尺寸效应对摩擦力大小的调制，为实验上能够确定电子摩擦的贡献作理论基础。最后，探讨吸附层厚度发生改变时，Pb和Pb合金薄膜的量子尺寸效应对不同厚度的吸附层摩擦力大小的调制作用。本课题的成功实施将是个开创性的研究工作，会取得一定的创新成果，并在该课题的研究中产生一定影响。

现有的摩擦理论框架是建立在宏观连续介质理论的基础之上，当微观粘着区域足够小，或者界面薄膜的厚度仅为几个分子层时，宏观连续介质理论不能再起作用，量子尺寸效应、尺寸效应、表面效应将使界面间的相互作用变得相当复杂。如何建立这种尺度下的摩擦理论是摩擦学研究所面临的挑战。本课题将Pb和石墨烯等作为研究对象，采用第一性原理的密度泛函理论方法和分子动力学方法，在电子、原子尺度上研究不同体系在其上面运动时的摩擦规律，探讨尺寸效应的物理机制。.项目针对申请书的内容，Pb薄膜生长的稳定性和量子尺寸效应的物理机制、合金薄膜对薄膜生长的稳定性调制以及特性调制、合金薄膜的量子生长、低维材料的摩擦机制与调制等方面的研究工作。如在Pb薄膜的量子尺寸效应物理机制方面，对Pb薄膜所表现出的量子尺寸效应的大小变化提出了一种新的解释；发现引起薄膜受厚度调节的主要原因之一是Pb薄膜在（111）方向所表现的一种特殊的Friedel振荡衰减行为，由于这种电荷密度的缓慢衰减，导致薄膜的稳定性出现振荡的变化，进一步说明导致这种变化的原因是由于其铅的（111）表面存在两个沿［111］方向两个平整的费米面的共同作用。在对Bi、Ga等其他杂质元素对Pb合金薄膜的生长模式的调制研究方面，探讨了哪些元素可能对Pb薄膜的生长起到调节作用，深入地研究了Pb和Ga两种元素对薄膜生长模式的调制。发现在较低的掺杂情况下，都对薄膜生长，化学反应等特性存在明显的调制，并形成一些新奇的特性。在研究低维尺度的摩擦机制和调制时，以石墨烯、金刚石薄膜、铅薄膜等系统为例，采用第一性原理的密度泛函方法，研究了石墨烯及金刚石薄膜材料的纳米摩擦性质及其调控。发现了纳米摩擦与宏观尺度的摩擦存在很大的不同；同时我们也提供了一些调制纳米尺度摩擦的方法。除此之外，在本项目的资助下，项目组结合郑州大学材料物理实验室的实验工作，开展了储氢材料设计、储氢动力学和负膨胀材料机理的理论研究，取得了很大的进展，先后发表论文近10篇。研究结果对相关实验研究有重要的指导意义。.在该项目的资助下，通过三年的研究，达到了项目预期的目的，取得了丰硕的成果，共计在SCI期刊上发表学术论文30余篇，其中Physical Review Letters一篇，Physical Review B, EPL, PCCP, JPCC等杂志发表论文多篇。培养硕士研究生6名，博士研究生6名。