本文關鍵詞：運動帶電粒子與納米結構物質相互作用尾流效應和溝道過程的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：納米結構的材料具有獨特的電學、結構、力學、光學特性,直接涉及到電子、計算機、通訊、生物醫(yī)藥、能源、環(huán)境等諸多領域,是現(xiàn)代材料學和物理學的前沿課題。特別是,研究運動帶電粒子與納米結構的物質相互作用過程,可以有效促進離子束表面改性、離子束注入、納米器件的沉積與制備等技術的發(fā)展。例如,碳納米管優(yōu)異的結構特點和電學性質,不斷吸引人們采用碳納米管輸運帶電粒子束,實現(xiàn)納米量級的粒子束控制技術和場發(fā)射技術。其次,由于金屬納米制造技術在設計和應用上的快速發(fā)展,促使研究者們探索由運動離子引起的納米結構金屬的激發(fā)現(xiàn)象。另外,在納米尺度內研究帶電粒子與粗糙的金屬表面相互作用引起的尾流效應,可以從能量分布角度進行定量的測量和分析,從而獲得金屬物質的詳細信息。由于外來離子的入射,金屬表面或體內電子容易受激發(fā),產(chǎn)生感應電荷密度和空間感應電勢的尾流效應,進而對入射離子產(chǎn)生橫向阻止力及縱向鏡像力等,影響入射離子的運動。因此,金屬材料表面及體內電子的激發(fā)尾流效應與入射離子的運動過程密切相關。本文模擬計算了攜能為keV-MeV的帶電粒子在碳納米管內的溝道過程,并研究了帶電粒子與納米結構的金屬板和納米級粗糙的金屬表面相互作用引起的尾流效應。具體章節(jié)安排如下：在第二章中,首先介紹了與碳納米管能帶特點和具體幾何結構有關的理論模型：采用半經(jīng)典的動力學模型和線性介電響應理論相結合的方法,研究了具有不同能帶結構的單壁碳納米管(SWCNT)管壁電子的極化效應對帶電離子的影響；當運動離子足夠接近管壁碳原子時,利用分子動力學方法(MD)模擬帶電離子與碳原子之間的多體相互作用。其中采用REBO勢描述原子之間的相互作用勢,其沿納米管半徑方向呈先吸引后排斥作用。在極化引力勢和近距離的REBO勢共同作用下,結果表明,運動離子在碳納米管內被管壁連續(xù)反射：當處于總勢能勢阱位置附近時,運動離子呈小角度反射的螺旋狀前進；遠離勢阱時,以大角度的反射前進,并很有可能穿透管壁運動出去。此溝道過程與運動離子的初始條件相關。此外,通過計算運動離子的能量損失,估算能量為56.25keV的入射氫離子最遠可以穿過長度約為10μm的SWCNT.以上這些結論,為碳納米管粒子束技術的研究與實現(xiàn)提供了一定的理論依據(jù)。最后,本章還比較了入射離子分別對單、雙壁碳納米管(2WCNTs)管壁電子尾流效應的影響,發(fā)現(xiàn)2WCNTs和具有相同外壁半徑SWCNT相比,由于內壁的存在使外壁的尾流效應更加明顯。在第三章中,利用量子流體動力學(QHD)模型,研究了帶電粒子在納米結構的金屬板內運動產(chǎn)生的尾流效應。QHD模型中,電子氣擾動的量子效應表現(xiàn)在同時考慮壓強項和Bohm量子勢對感應電荷密度的梯度修正,因此感應電荷密度方程變得相對復雜。為了得到感應電荷密度和感應電勢,本章引入了符合物理意義的兩組邊界條件——Bohm量子勢或者Bohm力的垂直分量在邊界處為零。結果表明,不同邊界條件的選擇只影響帶電離子較遠位置處的尾流電勢。此外,通過比較QHD模型和經(jīng)典流體動力學(SHD)模型,發(fā)現(xiàn)在入射離子附近和遠離入射離子的位置處觀察,兩種模型得到的尾流電勢區(qū)別較明顯,這是由于SHD模型中電子的量子效應只體現(xiàn)在Thomas-Fermi壓強項上,而QHD模型還考慮了Bohm量子勢的影響。并且,對于越薄的金屬板,或者入射離子的速度越接近金屬板集體激發(fā)時的臨界速度,尾流電勢的區(qū)別越容易觀察到。最后,和局域流體動力學(LHD)模型相比,由于QHD模型和SHD模型考慮了電子的量子效應,尾流電勢和阻止本領的值明顯被降低。以上結果,特別是不同邊界條件的選擇,對于研究入射粒子與金屬板等相關納米結構物質相互作用引起的非局域效應,具有一定的參考價值。在第四章中,應用格林函數(shù)結合微擾理論的方法描述納米級粗糙金屬表面的介電響應形式,研究了不同粗糙程度的表面對單離子或雙離子入射時尾流效應的影響。粗糙程度在納米量級的金屬表面用隨機理論表示。結果發(fā)現(xiàn),當單個離子入射到金屬表面上時,粗糙表面加強了金屬的尾流效應,使尾流電勢、入射離子的自能和阻止本領的值都得到不同程度地增強。當兩個具有一定距離的離子同時入射到金屬表面上時,粗糙的表面對離子之間的屏蔽相互作用能影響較小,而對能量損失的比值影響較大,使能量損失的比值隨離子之間距離的增加出現(xiàn)明顯振蕩。
【關鍵詞】：碳納米管 納米結構金屬板 納米級粗糙金屬表面 尾流效應 溝道過程 量子流體動力學模型
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目錄9-11
• TABLE OF CONTENTS11-13
• 圖目錄13-17
• 表目錄17-18
• 主要符號表18-20
• 1 緒論20-36
• 1.1 納米結構材料介紹20-25
• 1.1.1 碳納米管20-23
• 1.1.2 石墨烯23-24
• 1.1.3 納米結構金屬板和納米級粗糙金屬表面24-25
• 1.2 運動帶電粒子與納米結構物質相互作用研究進展25-34
• 1.2.1 單電子激發(fā)和集體激發(fā)25-26
• 1.2.2 尾流效應和阻止本領26-27
• 1.2.3 運動帶電粒子與碳納米管相互作用研究現(xiàn)狀27-32
• 1.2.4 運動帶電粒子和納米結構金屬板相互作用32-33
• 1.2.5 運動帶電粒子和粗糙金屬表面相互作用33-34
• 1.3 本文研究內容與安排34-36
• 2 中能入射帶電粒子在碳納米管內溝道過程研究36-62
• 2.1 引言36-37
• 2.2 模型描述及公式推導37-44
• 2.2.1 單壁碳納米管半經(jīng)典動力學模型37-40
• 2.2.2 雙壁碳納米管半經(jīng)典動力學模型40-41
• 2.2.3 基于REBO勢的分子動力學模型41-44
• 2.3 數(shù)值模擬結果與討論44-60
• 2.3.1 帶電粒子在單壁碳納米管內溝道過程44-56
• 2.3.2 帶電粒子在單壁和雙壁碳納米管內尾流效應研究56-60
• 2.4 本章小結60-62
• 3 運動帶電粒子和納米結構金屬板相互作用尾流效應研究：基于量子流體動力學模型62-85
• 3.1 引言62-63
• 3.2 理論模型及推導63-72
• 3.2.1 QHD、SHD、局域響應流體動力學(LHD)模型推導63-66
• 3.2.2 QHD模型中感應電荷密度和感應電勢66-68
• 3.2.3 邊界條件68-72
• 3.2.4 阻止本領72
• 3.3 模擬結果和討論72-84
• 3.4 本章小結84-85
• 4 運動帶電粒子和納米級粗糙金屬表面相互作用85-101
• 4.1 引言85-86
• 4.2 理論模型描述86-90
• 4.3 模擬結果及討論90-100
• 4.3.1 單離子入射時納米級粗糙金屬表面對尾流效應影響90-95
• 4.3.2 雙離子入射時粗糙表面對屏蔽相互作用能和能量損失比值影響95-100
• 4.4 本章小結100-101
• 5 結論與展望101-103
• 5.1 主要結論101-102
• 5.2 創(chuàng)新點摘要102
• 5.3 展望102-103
• 參考文獻103-113
• 附錄A 金屬板內感應電勢特殊解求解過程113-115
• 附錄B 粗糙表面金屬感應電勢格林函數(shù)系數(shù)求解115-116
• 攻讀博士學位期間科研項目及科研成果116-117
• 致謝117-119
• 作者簡介119

  本文關鍵詞：運動帶電粒子與納米結構物質相互作用尾流效應和溝道過程的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：309858