1D结构的定义与常见类型
1D结构的定义与常见类型
在材料科学领域，1D结构是指在一个维度上具有较大尺寸，而在其余两个维度上尺寸极小（通常在纳米尺度）的材料结构。这种独特的维度特性赋予了1D结构与传统三维材料截然不同的物理化学性质。常见的1D结构包括纳米线、链状分子等。
纳米线是一种典型的1D纳米材料，其直径通常在几纳米到几百纳米之间，而长度则可达到微米甚至毫米级别。例如，硅纳米线、氧化锌纳米线等，它们在电子学、能源、传感器等领域展现出巨大的应用潜力。
以硅纳米线为例，由于其量子限域效应，电子在纳米线中的运动受到限制，从而导致其电学性质与体硅材料有显著差异，这使得硅纳米线在高性能晶体管、纳米传感器等方面具有独特优势。
链状分子则是由原子通过共价键依次连接形成的线性分子结构。一些有机聚合物分子，如聚乙烯、聚丙烯等，在微观尺度上可看作是链状分子结构。在某些情况下，这些链状分子可以通过分子间相互作用，如氢键、范德华力等，形成有序的1D聚集态结构，进一步影响材料的宏观性能。例如，通过特定的合成方法和加工工艺，可使聚乙烯分子链排列规整，从而提高材料的结晶度和力学性能。
1D结构的电子结构特性
1D结构的电子云分布呈现出明显的各向异性。由于在一个方向上的尺寸远大于其他两个方向，电子在该方向上的运动相对较为自由，而在另外两个方向上则受到较强的限制。以纳米线为例，电子云在纳米线的轴向方向上分布较为均匀，而在径向方向上则呈现出量子化的分布特征，这种分布特点与宏观材料中电子云的连续分布有很大不同。
从能带结构角度分析，1D结构的能带与三维材料也存在显著差异。由于量子限域效应，1D结构的能带会发生分裂，形成一系列离散的子带。这些子带之间的能量间隔与纳米结构的尺寸密切相关，尺寸越小，量子限域效应越强，子带间的能量间隔越大。这种能带结构的变化直接影响了1D结构的电学和光学性质。
例如，一些半导体纳米线的能带结构变化使其具有独特的光电特性，可用于制备高效的光电器件，如发光二极管、光电探测器等。
此外，1D结构中的电子还可能存在一些特殊的量子态，如边缘态、表面态等。这些特殊量子态的存在会对材料的电子输运和化学反应活性产生重要影响。在某些具有特殊原子排列的1D链状分子中，边缘态电子的存在可能导致分子具有独特的磁性或催化活性，为新型功能材料的设计提供了新的思路。
DOI : 10.1103/PhysRevB.111.195401
1D结构的物理化学性质
在光学性质方面，1D结构表现出与传统材料不同的特性。由于量子限域效应和电子云分布的各向异性，1D结构的光吸收和发射特性发生了显著变化。纳米线的光吸收峰相对于体材料会发生蓝移，这是因为量子限域效应使得电子的能级间距增大，吸收光子的能量也相应增加。
1D结构还可能具有偏振依赖的光学性质，即对不同偏振方向的光具有不同的吸收和发射效率，这种特性在光通信、光偏振器件等领域具有潜在的应用价值。
电学性质上，1D结构的电导率通常具有各向异性。在纳米线轴向方向上，电子的迁移率较高，电导率较大；而在径向方向上，由于电子受到量子限域和散射作用，电导率较低。
这种各向异性的电学性质使得1D结构在纳米电子学领域具有重要应用，如可用于制备高性能的一维导电通道、纳米导线等。一些1D材料还具有独特的电学输运特性，如单电子隧穿效应，这为开发新一代的量子电子器件奠定了基础。
在催化领域，1D结构也展现出独特的优势。由于其高比表面积和特殊的电子结构，1D材料能够提供更多的活性位点，并且表面原子的配位不饱和性使得它们对反应物分子具有更强的吸附和活化能力。
以纳米线阵列作为催化剂载体，可有效提高催化剂的分散度和活性，从而增强催化反应的效率。在一些有机合成反应中，链状分子结构的催化剂能够通过分子内的特定官能团协同作用，实现高选择性的催化转化。
DFT如何计算1D结构
DFT计算结果表明，准一维BiSeI纳米线具有间接带隙（≈1.57eV），其中导带底（CBM）位于布里渊区的U点，而价带顶（VBM）位于Z点（图a）。态密度（DOS）分析显示，CBM和VBM主要由Bi、Se和I离子的畸变p轨道贡献，证实了其共价键主导的电子结构。此外，CBM和VBM的部分电荷密度（PCDs）在ab平面和bc平面上的分布存在显著差异（图b），进一步揭示了BiSeI纳米线本征的电子能带各向异性。
由于BiSeI的电子和光学性质具有强烈的方向依赖性，控制其晶格取向对器件应用至关重要。实验发现，采用六方对称的云母衬底可诱导BiSeI纳米线沿特定方向生长。如图c所示，CVD生长的BiSeI纳米线在云母上呈现三种主要取向（0°、120°和-120°），与衬底的六重对称性高度吻合（图d），表明其生长受晶格匹配机制调控。
通过角度分辨偏振拉曼光谱（ARPRS）研究BiSeI纳米线的振动模式各向异性。结果显示，在平行偏振配置下，所有拉曼峰强度均随偏振角呈周期性变化（图e）。其中，75cm⁻¹（Bi-I键振动）和181cm⁻¹（Bi-Se键振动）的峰值强度在90°和270°时达到最大（图f,g），对应纳米线的a轴方向。这一特性可用于快速确定BiSeI纳米线的晶格取向，并为偏振敏感光电器件设计提供关键依据。
综上，BiSeI纳米线的能带各向异性、可控生长取向及振动模式方向依赖性，使其在新型偏振光电探测器和各向异性光电子器件中具有重要应用潜力。
DOI:10.1002/smll.202302623
2D结构在DFT计算中的特性
2D结构的定义与常见类型
2D结构是指在两个维度上具有较大尺寸，而在第三个维度上尺寸极小（通常为原子尺度）的材料结构，这类结构由单层或少数几层原子构成，原子在平面内通过共价键、离子键或金属键等强相互作用紧密结合，形成稳定的二维晶格，层间则通过较弱的范德华力相互作用。这种独特的结构赋予了2D材料许多优异的物理化学性质，使其在电子学、能源、催化等众多领域展现出巨大的应用潜力。
石墨烯是最为人们熟知的2D材料，由碳原子以六边形晶格紧密排列而成的单层原子薄片。自2004年被成功分离以来，石墨烯因其卓越的电学、力学、热学等性能而备受关注。
在电学方面，石墨烯具有极高的载流子迁移率，室温下可达200,000cm²/(V・s)，电子在其中的运动速度接近光速，这使得石墨烯在高速电子器件，如高速晶体管、射频器件等领域具有潜在的应用价值；在力学性能上，石墨烯具有出色的强度和柔韧性，其杨氏模量高达1TPa，能够承受较大的拉伸应变而不发生破裂，可用于制备高强度、轻质的复合材料；热学性能方面，石墨烯的热导率极高，可达5000W/(m・K)，在热管理领域具有广阔的应用前景，可用于制造高性能的散热材料。
MXene是一类新兴的2D过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，通式为Mn+1XnTx（n=1-3，M为过渡金属元素，X为C和/或N，Tx为表面官能团，如-O、-OH、-F等）。
MXene具有独特的金属导电性和丰富的表面化学性质。其金属导电性使其在电子学领域具有重要应用，可用于制备高性能的电极材料、电子器件等；丰富的表面官能团赋予了MXene良好的亲水性和化学反应活性，使其在储能、催化、传感器等领域展现出巨大的潜力。
在储能领域，MXene基电极材料表现出高的比容量和良好的循环稳定性，可用于锂离子电池、超级电容器等储能设备；在催化领域，MXene可以作为催化剂载体或直接作为催化剂，促进多种化学反应的进行，如电催化析氢反应、氧还原反应等。
2D结构的电子结构特性
2D结构的电子态密度分布具有独特的特征。由于量子限域效应，电子在二维平面内的运动受到限制，导致电子态密度在能量空间中的分布呈现出与三维材料不同的形式。在一些2D材料中，如石墨烯，电子态密度在狄拉克点附近呈现出线性分布，这使得石墨烯具有零带隙的特性，电子在其中的传导表现出相对论性的行为。
而对于一些具有固有带隙的2D半导体材料，如过渡金属硫族化合物（TMDs），电子态密度在价带顶和导带底呈现出明显的峰值，带隙的存在使得这些材料在半导体器件应用中具有重要意义。
2D结构的能带结构与三维材料相比也存在显著差异。由于维度的降低，2D材料的能带结构更加依赖于原子的平面排列和层间相互作用。一些2D材料的能带结构中会出现明显的能带折叠和色散现象，这是由于原子在二维平面内的周期性排列导致的。
在某些2D材料中，通过施加外部电场、应变或与衬底相互作用，可以有效地调控其能带结构，实现带隙的打开或调节，这为2D材料在半导体器件中的应用提供了重要的调控手段。
2D结构的物理化学性质
2D材料在力学性质方面表现出独特的特性。尽管2D材料只有原子级的厚度，但许多2D材料却具有较高的强度和柔韧性。以石墨烯为例，其具有极高的杨氏模量和拉伸强度，能够承受较大的拉伸应变而不发生破裂。
这种优异的力学性能源于其原子间的强共价键作用以及二维平面内的稳定晶格结构。2D材料的柔韧性使其可以在弯曲、折叠等变形条件下仍保持其物理化学性质的稳定性，这为其在柔性电子器件中的应用提供了基础，可用于制备柔性显示屏、可穿戴电子设备等。
热学性质上，2D材料通常具有较高的热导率。这是因为在二维平面内，原子间的振动模式相对简单，声子的散射较少，有利于热量的传导。石墨烯的高热导率使其成为理想的热管理材料，可用于高效散热，提高电子器件的性能和稳定性。
一些2D材料的热膨胀系数也表现出与三维材料不同的特性，这种特性在与其他材料集成时需要加以考虑，以避免因热膨胀失配而导致的材料性能下降或结构破坏。
3D结构在DFT计算中的特性
3D结构的定义与常见类型
3D结构是指在三维空间中具有完整的周期性原子排列或连续的原子分布的材料结构。与1D和2D结构相比，3D结构在所有三个维度上都具有宏观尺寸，原子在空间中形成复杂的三维网络或晶格，通过各种化学键（如离子键、共价键、金属键等）相互连接，构成稳定的材料体系。这种结构使得3D材料具有丰富的物理化学性质和广泛的应用领域。
晶体是最为常见的3D结构材料之一，其原子在三维空间中按照一定的周期性规律排列，形成规则的晶格结构。根据晶格类型的不同，晶体可分为多种类型，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）、六方最密堆积（HCP）等。
金属晶体，如铜、铝、铁等，通常具有典型的金属晶格结构，原子通过金属键紧密结合，使金属具有良好的导电性、导热性和延展性。离子晶体，如氯化钠（NaCl），由阳离子和阴离子通过离子键相互作用形成三维晶格，具有较高的熔点和硬度，在光学、电学等领域有重要应用。
金属玻璃，也称为非晶合金，是一种具有独特3D结构的材料。与晶体不同，金属玻璃的原子在三维空间中呈现出无序的排列状态，缺乏长程有序的晶格结构，但在短程范围内存在一定的原子有序性。这种特殊的结构赋予了金属玻璃许多优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性和软磁性能等。
由于其原子排列的无序性，金属玻璃在许多方面表现出与传统晶态金属不同的物理化学性质，使其在航空航天、电子、能源等领域具有潜在的应用价值。
3D结构的电子结构特性
3D结构的电子云分布在三维空间中呈现出较为复杂的形态。由于原子在三个维度上的相互作用，电子云受到多个方向上原子势场的影响，使得电子的分布更加均匀且连续，不像1D和2D结构那样具有明显的各向异性特征。
在晶体中，电子云的分布与晶格的周期性密切相关，形成了具有周期性的电子密度分布，这种周期性对材料的电学、光学等性质产生重要影响。
从能带结构角度看，3D结构的能带较为复杂，包含多个能带和能隙。晶体的能带结构由原子的电子轨道相互作用形成，不同原子轨道的重叠程度和相互作用强度决定了能带的宽度和能隙的大小。
在金属晶体中，由于价带和导带部分重叠，电子可以在导带中自由移动，从而表现出良好的导电性；而在半导体晶体中，价带和导带之间存在一定宽度的能隙，只有当外界提供足够能量（如光、热等）时，电子才能从价带激发到导带，产生导电载流子。与1D和2D结构相比，3D结构的能带结构受维度限制的影响较小，电子的运动更加自由，这使得3D材料在电学性能方面具有独特的特点。
此外，3D结构中的电子相互作用也较为复杂。除了电子与原子核之间的库仑相互作用外，电子之间还存在着强烈的关联效应，如电子-电子散射、电子-声子相互作用等。
这些相互作用对材料的电学、热学、光学等性质产生重要影响，使得3D材料在实际应用中表现出丰富多样的物理化学行为。在高温超导体中，电子之间的强关联效应导致了超导现象的出现，这种现象在3D结构的铜氧化物超导体中得到了广泛研究。
3D结构的物理化学性质
在力学性能方面，3D结构的材料通常具有较高的强度和硬度。晶体结构中的原子通过化学键相互连接，形成稳定的晶格结构，使得材料能够承受较大的外力而不发生变形或破坏。
金属晶体的金属键具有较好的延展性，使其在受力时能够发生塑性变形，而离子晶体的离子键则赋予材料较高的硬度和脆性。金属玻璃由于其无序的原子结构，不存在位错等晶体缺陷，使得其具有较高的强度和硬度，但在变形过程中通常表现出脆性断裂的特征。
热学性质上，3D结构的材料具有一定的热膨胀系数，这是由于温度变化时原子的热振动加剧，导致原子间距发生改变。不同类型的3D材料具有不同的热膨胀系数，这与材料的原子结构和化学键性质密切相关。
晶体材料的热膨胀系数通常具有各向异性，即在不同晶向方向上热膨胀系数不同，这是由于晶格结构的各向异性导致的。在一些高温应用场合，需要考虑材料的热膨胀特性，以避免因热膨胀失配而导致的材料损坏。
在化学反应活性方面，3D结构的材料表面原子的配位情况对其化学反应活性有重要影响。表面原子由于配位不饱和，具有较高的活性，容易与外界分子发生化学反应。在催化剂领域，许多3D结构的金属催化剂，如铂、钯等，其表面原子能够吸附和活化反应物分子，促进化学反应的进行。
材料的晶体结构和缺陷也会影响其化学反应活性，晶格缺陷（如空位、位错等）可以提供更多的反应活性位点，从而增强材料的化学反应活性。