碳管约束下水的铁电性研究 毕业论文.doc

2012届本科毕业论文 碳管约束下水的铁电性研究 姓 名： 系 别： 物理与 专 业： 学 号： 指导教师 2012年月日目录 ……………………………………………………………………………………………II 0 引言 11 水的组成、冰相 1 1.1 水的组成 1 1.2 水的冰相 1 2 纳米尺度下的水和冰 1 2.1 水的团簇现象 2 2.2 约束在碳纳米管中冰纳米管 2 3 冰纳米管的铁电性 2 3.1 冰的铁电性问题 2 3.2 低维铁电性 3 3.3 模型和方法 3 3.4 分子动力学模拟结果 4 3.5 冰纳米管的铁电性的微观机制 5 3.6 得到更高极化的冰纳米管的制备途径及其应用前景 9 4 结论 9 参考文献 10 致谢 10 碳管约束下水的铁电性研究 摘要 通过分子动力学模拟，我们发现约束在碳纳米管的水在低温下形成冰纳米管，具有奇数个侧面的冰纳米管具有沿轴向的整体电极化，因而具有铁电性。本文首先介绍了水的组成、水的冰相；其次介绍纳米尺度下的冰的性质；接着又介绍冰纳米管的铁电性；最后我们通过分子动力学模型探讨了这种铁电冰的微观机制。因此，我们的研究提出了一种新的制备铁电冰的途径，同时也为克服“退极化效应”制备低维纳米铁电材料提供了一个可能的途径。 关键词 碳纳米管；氢键；冰相；铁电性；分子动力学模拟 Ferroelectric water Confined in Carbon Nanotubes Abstract By molecular dynamics simulations, we find that the water confined in carbon nanotubes at low temperatures can form ice nanotubes, with the odd sides of the ice nanotube along the axial direction demonstrates the overall polarization, and thus it has ferroelectricity. This article first introduces the composition of water, ice phase. Then the nature of nanoscale ice and ice nanotubes ferroelectricity have been presented. Finally, we investigate the micro-mechanism by molecular dynamics model of this ferroelectric ice. So, our study proposes a new way of preparation of ferroelectric ice, which overcomes the ‘depolarization effect’ of the general ferroelectric materials. Furthermore, it provides a possible way to prepare a new low-dimensional ferroelectric material. Keywords carbon nanotubes; hydrogen bond; ice phase; ferroelectricity; molecular dynamics simulations 0 引言 地球表面的大约70% 是由水覆盖着，水对我们这颗行星上的生命来说具有无比重要的意义，水由常见的氢（H）和氧（O）两种基本元素组成，通常写为H2O，水在自然界以各种形式存在，江河湖海、冰川雪山、雨雪汽雾雹等，虽然水分子的组成简单，但其复杂的行为和奇特的性质有待于我们去深入探究。自1991年日本科学家饭岛(S. Iijima)发现碳纳米管以及计算机的高速发展、分子动力学模拟方法的应用，水的研究也随纳米科技进入新的发展篇章。在碳纳米管约束下生成的冰纳米管具有独特的性质，不同条件下生成的冰有很大差别，冰纳米管的研究具有重要意义。 1 水的组成、冰相 1.1 水的组成 1个水分子由两个H 原子和一个O 原子构成V 型结构，OH键长在0.97 ? 左右H-O-H键角在106°左右,在经典分子动力学模拟中，水分子通常用由氧原子和氢原子以及一些特殊的“虚”原子组成的棍-球模型来描述，其中又以刚性模型应用最为广泛，这些模型中，水分子之间的相互作用通常由两部分来描述，