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摘 要: 本文将密度泛函理论同非平衡格林函数方法相结合，研究了zigzag型单壁ZnO纳米管的力电特性。我们发现，局部扭转形变能够引起半导体ZnO纳米管结构和电子性质的明显变化。随着扭转角度的增加，ZnO纳米管的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂，局部扭转形变对纳米管的输运谱和伏安特性有着显著影响。结果揭示了局部扭矩在调制ZnO纳米管性质中的作用，对基于一维ZnO纳米结构的纳机电器件的设计与应用具有指导意义。55157

毕业论文关键词：ZnO纳米管，力电响应，局部扭转形变， 密度泛函理论

Abstract：The electromechanical response of a single-walled zigzag ZnO nanotube under local torsion has been investigated using the density-functional theory in combination with the nonequilibrium Green's function method. Our results show that local torsional deformation can cause significant changes of the structural and electrical properties of the semiconducting ZnO nanotube. In the course of twisting, the ZnO nanotube undergoes the structural evolution of elastic and plastic deformation until complete failure, while the transport spectrum and the current-voltage characteristic also depend strongly on the applied torsion. The present results reveal the role of local torsion in tuning the properties of ZnO nanotube, which may prove useful for the design and implementation of one-dimensional ZnO nanostructures in nanoelectromechanical devices.

Key words：ZnO nanotube, electromechanical property, local torsion, first-principles calculation

目   录

1  引言4 

2  理论方法5 

3  结果与讨论7

结论  13

参考文献14

致谢  15

1 引言

近年来纳米管在未来纳机电系统中的应用前景引起了广泛关注。其中单壁碳纳米管由于独特的力学、电学性质，成为器件集成中的基本构造单元。[1] 考虑到纳米管在机电器件中的实际应用，人们对拉伸、弯曲、扭转等各种力学形变下碳纳米管的电学性质进行了深入研究。大量的理论计算和实验观测表明，力学形变对碳纳米管的输运性质有着显著影响。目前已经认识到，单壁碳纳米管的力电特性与纳米管的手性及形变类型有密切关系。就拉伸形变而言，金属性的armchair型单壁碳纳米管由于拉伸作用下较高的对称性，同准金属和半导体性的碳纳米管比较，对拉伸形变的敏感性较低。而大幅度的局部形变对碳纳米管的输运性质影响很明显。源.自|优尔,:论`文'网www.youerw.com

尽管对碳纳米管的力电特性已进行了深入研究，但对其它非碳材料的纳米管中类似效应的考察还相当缺乏。值得指出的是，其它非碳材料有可能具有一些独特的性质，从而提供特别的应用。

氧化锌（ZnO）是一种重要的本征半导体材料和压电材料，在构造力电耦合传感器和转换器中有着关键应用。特别是由于表面效应和量子限制效应，诸如纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒等一维ZnO纳米结构具有独特的力学、电学和机电性质，使得它们成为器件架构和集成中的重要候选材料。[2,3] 其中，ZnO纳米管，因为具有很大的表面积和很强的压电效应，成为应用于未来纳机电体系的理想材料。近期的实验已经证实，ZnO纳米管在纳米尺度上能够有效的将机械能转变为电能。实验上已经成功制备出直径在20-100纳米、厚度在4-100纳米之间的各种尺寸的ZnO纳米管。[4] 尽管单壁ZnO纳米管实验上目前还未制备成功，但理论上已经预言，ZnO的单壁纳米管结构在能量上是稳定的，并且可能通过固-液相变过程获得。从基础研究的角度看，单壁ZnO纳米管可以视为多壁ZnO纳米管和纳米线的基本构造单元，为研究纳米体系的物理行为提供了理想的模型，这不仅对于低维基础物理研究，而且对于开发高性能的纳米器件都有着重要的意义。理论上，采用基于密度泛函的理论框架已经对单壁ZnO纳米管的结构、电学、磁学、光学、输运等性质进行了广泛研究。[5-7] 尤其是考虑到ZnO纳米管强烈的力电耦合特性，寇等人对单壁ZnO纳米管在径向变形和轴向拉伸条件下的电子性质进行了系统研究，他们发现，相比较于均匀的应变或变形，局部形变会导致截然不同的物理现象和性质。[8] (责任编辑：qin)