基本信息
- 项目名称：
- Au在ZnO极性表面吸附的第一原理研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文首次从理论角度阐述常温下性质稳定的Au如何能充当催化剂。探索Au作为催化剂在制备ZnO纳米结构中的可行性，基于密度泛函理论，本文对Au的作用进行了系统计算和分析。
- 详细介绍：
- 采用第一原理研究了Au在ZnO两个极性表面(0001)-Zn和(000 )-O的吸附，分析了单层Au吸附在ZnO极性表面上的态密度和吸附构型。计算结果表明：ZnO极性表面上单层Au吸附层能提高Zn原子在(0001)-Zn和(000 )-O面上的吸附能分别0.41eV/原子和0.42eV/原子；同时Au吸附层又比Zn吸附层更加活跃，总能计算可以看出Au处于顶端的构型比Au扩散构型更加稳定，使得Au恒处于顶端，很好的解释了Au在ZnO纳米结构生长过程中充当表面活性剂的角色。理论计算与实验中发现Au球总是在生长出的纳米结构的末端这一现象吻合很好。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 纳米尺寸的功能元件呈现显著的量子力学特性，如表面效应和量子隧穿效应等。这使得ZnO纳米结构成为当今研究热点。为了探索Au作为催化剂在制备ZnO纳米结构中的可行性，基于密度泛函理论，本文对Au的作用进行了系统计算和分析。
科学性、先进性及独特之处
- 本文首次从理论角度阐述常温下性质稳定的Au如何能充当催化剂。采用的方法是基于密度泛函理论(DFT)框架下模拟计算。密度泛函理论是研究多电子体系结构的量子力学方法。在物理、化学、生物和医药等领域都有极为广泛的应用。
应用价值和现实意义
- 本文通过理论计算和分析，证明了常温下的贵金属金银铜等在适当条件下将变的极为活跃的可以充当制备ZnO纳米结构的催化剂，为获得高质量ZnO纳米结构提供了一条新途径。
学术论文摘要
- 采用第一原理研究了Au在ZnO两个极性表面(0001)-Zn和(000 )-O的吸附，分析了单层Au吸附在ZnO极性表面上的态密度和吸附构型。计算结果表明：ZnO极性表面上单层Au吸附层能提高Zn原子在(0001)-Zn和(000 )-O面上的吸附能分别0.41eV/原子和0.42eV/原子；同时Au吸附层又比Zn吸附层更加活跃，总能计算可以看出Au处于顶端的构型比Au扩散构型更加稳定，使得Au恒处于顶端，很好的解释了Au在ZnO纳米结构生长过程中充当表面活性剂的角色。理论计算与实验中发现Au球总是在生长出的纳米结构的末端这一现象吻合很好。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 本文采用密度泛函理论，对Au可以充当催化剂给出了详细的解释，行文严谨，数据可靠，为纳米结构半导体的制备指出了一条新方向。
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 2001年，Science报道了美国佐治亚工学院王中林教授领导的研究小组通过实验首次获得具有压电效应的ZnO半导体纳米结构。这种新型纳米结构在纳米机电系统、纳米传感器和生物细胞探测等领域的广泛应用前景使得如何制备高质量ZnO薄膜成为研究热点。 气－液－固（V-L-S）生长模式是最常见的一种。Jie J.、Kong X.和 Levin I分别采用Au、Cu、Sn等充当表面活性剂，成功制备出高质量ZnO纳米结构。这些金属表面活性剂只在生长出的ZnO纳米结构的末端发现。这一奇怪现象目前国内外还没有合理的理论解释。 本文采用基于密度泛函理论的第一原理计算，通过计算体系的总能、态密度和能带结构，比较了不同构型下Au的电学特性。结果表明：Au的吸附有助于Zn和O原子的再次吸附，为生长制备ZnO纳米带提供了基础；Au在表面层的吸附能最低最稳定，这使得在生长过程中，Au会自发与Zn、O原子层交换位置，始终处于最顶层，起到催化剂的作用。
