Si和B原子混合团簇输运特性研究
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【摘 要】用基于第一性原理的密度泛函理论和非平衡态格林函数方法对由si原子组成的团簇的输运性质进行研究分析，并且对比分析了将其中一些Si原子替换为B原子之后的性质变化。结果发现，在用六个C原子组成的C纳米线电极的情况下，加入的团簇系统如果不相同，系统体现的电子性质也就不相同，主要体现在偏压下的I-V曲线，平衡态下的透射系数、能态密度等性质在导体和半导体特征的变化上。
一、引言
团簇（Clasters）是指由几个乃至上千个原子或分子构成的尺寸在100 nm以下的相对稳定的聚集体。按照团簇尺度一般可以把团簇分为：小团簇（）、中等团簇（）和大团簇（）。中小尺寸的团簇特别是小团簇的结构和特性敏感地依赖于其所含原分子个数。
由于量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而导致团簇体系具有与常规宏观体系和微观体系不同的新的物理现象和效应，其很多特性既不同于单个分子，也不同于块体材料。如：“幻数”个原子稳定性或奇偶数稳定性；气、液、固态的并存与转化；极大的表面/体积比；异常高的化学活性和催化活性；电子的原子壳层、原子簇壳层和能带结构的过渡和转化；结构的多样性和排列的非周期性；光的量子尺寸效应和非线性效应；电导的几何尺寸效应等。纳米团簇还具有负热容的特性，在融化时还存在预融现象。导致这些行为的主要原因之一在于其几何结构是独特的，是由局域化学键决定的，而块体结构是由长程键决定的。
团簇还是一种能量不均衡的聚集体：表面原子和体内原子间能量的不平衡；表面特定位置的原子和其它表面原子间的不平衡；由于表面收缩使内部不同层的原子偏离平衡的趋势以及特殊（有序）排列方式产生的不同位置序列间的能量不平衡。团簇这些特性使其在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质、及新材料等各方面都有广阔的应用前景，研究被看作是分子和宏观材料的过渡态[1，2]的团簇的结构和性质，将为理解物质从微观到宏观的过渡提供有效工具，同时也将推动基础研究的发展。
鉴于人们已意识到对这种物质进行研究的重要理论意义和广泛诱人的技术应用前景，因而甚至有人把团簇称为物质存在的第五种状态。
目前团簇科学研究的几个主要方向是：研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数和几何结构、稳定性的规律；研究金属、半导体及非金属和各种化合物团簇的光、电、磁、力学、化学等性质，它们与结构和尺寸的关系，及向大块物质转变的关节点；研究团簇的成核和形成过程及机制，研究团簇的制备方法、尤其是获取尺寸均一与可控的团簇束流；研究团簇材料的合成和性质；探索新的理论，不仅能解释现有团簇的效应和现象，而且能解释和预知团簇的结构，模拟团簇动力学性质，指导实验；发展新的方法对团簇表面进行修饰和控制。
团簇科学研究的基本问题是弄清团簇如何由原子、分子一步一步演化而成，以及随着这种演化，团簇的结构和性质如何变化，具体当尺寸多大时，过渡成宏观固体。团簇科学处于多学科交叉的范畴。从原子分子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学等学科的概念及方法交织在一起，形成了当前团簇研究的中心议题，并正在发展成为一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。
团簇广泛存在于自然界和人类实践活动中，涉及到许多许多物质运动过程和现象，如催化、燃烧、晶体生长、成核和凝固、相变、溶胶、薄膜形成和溅射等，构成物理学和化学两大学科的一个交叉点，成为材料科学新的生长点[3，4]。
在太阳能电池材料研究中，一个重要研究课题就是电流的输运问题，因为电流的输运特性对太阳电池的运行效率产生重要制约。本课题主要旨在探索新的纳米系统的电子输运特性，为以后新的电子器件诸如光伏电池的研制提供重要的背景资料。
本课题主要研究Si原子团簇组成的系统，其电子特性以及输运特性，并且对比分析将其中掺入B原子之后组成的混合团簇的性质。
二、研究方法
（一）密泛含理论的基本定理是由Hohenberg、Kohn、Kohn和Sham建立的，它表明了系统的基态能量可以唯一的表示为一个基态电子密度函数。在密度泛含理论中，电子密度是所有可以计算的量子力学量中的基本量。
（二）式中括号中的部分被定义为KS哈密顿量。密度泛含理论的优势在于把多电子相互作用问题已经减少到一组涉及非相互作用电子在其它电子有效电势内移动的KS方程。
三、同种原子，不同数量
总的来说，所有的I―V曲线都是从圆点开始，也就是说只要加上电压，就会产生电流，在电压不是特别大的时候，上述团簇均体现导体的性质。
四、结 论
研究Si原子团簇组成的系统，其电子特性以及输运特性，并且对比分析将其中掺入B原子之后组成的混合团簇的一些性质。在六个C原子组成的电极中，加入的团簇系统如果不相同的话，系统体现的性质也就不相同，本文主要研究了他们I―V曲线、零偏压下的态密度和透射系数的区别。结合各个系统的结构图，可以发现他们的这些性质不仅与原子的种类和数量有关，也跟原子的位置有密切的关系。
参考文献：
[1]Heer W A D. The physics of simple metal clusters：experimental aspects and simple models. Reviews of Modern Physics， 1993， 65（3）： 611-676.
[2]Brack M. The physics of simple metal clusters： self-consistent jellium model and semiclassical approaches. Reviews of Modern Physics，1993， 65（3）： 677-732.
[3]孙厚谦，任云，王广厚.Ni（n=2～20）团簇的结构.原子与分子物理学报，2001，4（10）：387-392.
[4]田东旭，郭向云.Ni_n（n=3-39）团簇结构、能量和稳定性的研究.无机化学学报，2004，20（8）：925-928.