發(fā)布時間：2018-08-18 13:42

【摘要】：自納米材料被發(fā)現(xiàn)以來,人們對它的探索就從未停歇,一直以來都是材料科學研究的熱點。納米材料表現(xiàn)出各種異于塊體材料的新奇而迷人的特性,其在應用方面的巨大潛力令世人矚目。探究其反常特性背后的物理機制是非常重要并極具價值的。然而將經(jīng)典的理論模型直接應用于納米材料均遇到了不同程度的阻礙,因此需要建立一個能夠合理解釋和預測納米材料特性的全新的理論模型。我們以低配位原子作為切入點,在鍵弛豫理論的框架內(nèi)對納米材料進行探討。低配位原子普遍的存在于任何材料中,但是在塊體材料中低配原子所占比例極小,其對材料性能的影響微乎其微。而納米材料中低配位原子占了很大的比例,其對材料的性能有著極大的影響。本文根據(jù)鍵弛豫理論和緊束縛近似,并結合X射線光電子能譜和選區(qū)標定光電子譜,對金表面、氧化和原子團簇的局部鍵弛豫和能級偏移進行分析,探討其能級偏移的尺寸效應。具體工作和結果如下:1.鍵弛豫理論認為,低配位原子間的鍵將會變短變強,導致了電子和能量局域致密化,這將對晶體勢產(chǎn)生微擾,使得表面的芯能級發(fā)生偏移。我們能夠從理論上得到芯能級偏移與尺寸的對應關系。根據(jù)這個關系,可以對Au表面4f7/2芯能級的XPS進行解譜,得到孤立原子的結合能和塊體能級的偏移等重要的定量信息,并對相關的物理量進行了預測。2.利用ZPS方法對Au表面發(fā)生氧化時4f7/2芯能級的偏移進行分析,結果顯示強氧化性O原子的引入擾亂了表面的晶體結構和局部勢場,引起表面形態(tài)的重構和芯能級的偏移。而表面重構對芯能級偏移亦有影響。3.對Au原子團簇芯帶和價帶進行ZPS分析,得到其各能級相對于塊體材料的偏移量。原子團簇的能級均發(fā)生向深層的偏移,證實了BOLS理論的觀點。此外,我們還發(fā)現(xiàn)芯帶各能級的偏移量相同,而價帶各能級偏移量大于芯帶能級,并且價帶頂端的能級要比底部的偏移量大。這意味著Au原子團簇的價帶相比于塊體材料來說變窄了,從而降低了價帶電子發(fā)生躍遷所需的能量。此外,還得到芯能級尺寸效應的關系式,與實驗數(shù)據(jù)有很好的一致性。理論分析與實驗結果的一致性表明鍵弛豫理論-緊束縛近似方法在解釋和預測低配位系統(tǒng)的能級偏移等方面是合理有效的,它能夠為我們的科學研究和實際應用提供指導。
[Abstract]:Since the discovery of nanomaterials, it has been a hot topic in material science. Nanomaterials exhibit novel and attractive properties different from bulk materials, and their potential applications have attracted worldwide attention. It is very important and valuable to explore the physical mechanism behind its anomalous properties. However, the direct application of classical theoretical models to nanomaterials has encountered various obstacles, so it is necessary to establish a new theoretical model that can reasonably explain and predict the properties of nanomaterials. In the framework of bond relaxation theory, the nanocrystalline materials are investigated by using low coordination atoms as the starting point. Low coordination atoms generally exist in any material, but the proportion of low ligand atoms in bulk materials is very small, which has little effect on the properties of materials. However, low coordination atoms account for a large proportion of nanomaterials, which have a great impact on the properties of the materials. Based on bond relaxation theory and tight-binding approximation, combined with X-ray photoelectron spectroscopy and selective calibration photoelectron spectroscopy, the local bond relaxation and energy level migration of gold surface, oxidation and atomic clusters are analyzed. The size effect of energy level shift is discussed. The specific work and results are as follows: 1. The bond relaxation theory holds that the bond between the low coordination atoms will become shorter and stronger, resulting in the localized densification of electrons and energy, which will cause perturbation to the crystal potential and make the core energy levels on the surface offset. We can theoretically get the corresponding relation between the core energy level shift and the size. According to this relation, the XPS spectra of 4f7/2 core energy levels on au surface can be obtained, and some important quantitative information, such as the binding energy of isolated atoms and the shift of block physical level, can be obtained, and the related physical quantities are predicted. The ZPS method is used to analyze the migration of the 4f7/2 core energy level during the oxidation of au surface. The results show that the introduction of strongly oxidized O atoms disturbs the crystal structure and local potential field of the surface, resulting in the reconstruction of the surface morphology and the migration of the core energy level. The surface reconstruction also has an effect on the core energy level shift. The ZPS analysis of au cluster core band and valence band is carried out, and the migration of each energy level relative to the bulk material is obtained. The energy levels of the cluster are all shifted to the deep layer, which confirms the viewpoint of BOLS theory. In addition, we also find that the migration of each energy level in the core band is the same, while the shift of the valence band level is larger than that of the core band level, and the energy level at the top of the valence band is larger than that at the bottom. This means that the valence band of au clusters is narrower than that of bulk materials, thus reducing the energy required for the transition of valence band electrons. In addition, the relation of the size effect of the core energy level is obtained, which is in good agreement with the experimental data. The agreement between the theoretical analysis and the experimental results shows that the bond relaxation theory-tight-binding approximation method is reasonable and effective in explaining and predicting the energy level shift of low coordination system. It can provide guidance for our scientific research and practical application.
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O614.123;TB383.1

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本文編號：2189643