题目：铁纳米线填充氮化硼纳米管的电子结构和磁性的第一性原理计算

金属填充氮化硼纳米管后的纳米材料在实验方面已经取得很大的成功。由磁性材料构造的纳米线，尤其是铁，钴和一些铁基合金吸引了大家广泛的兴趣，原因是这些材料很可能应用于纳米电子设备，磁记录介质和生物传感器方面。然而，这些金属纳米线材料的表面在氧化和抵抗侵蚀方面显得很脆弱。又由于氮化硼纳米缆在高电子绝缘和高温的空气条件下能够提供一个很好的稳定性，因此他们在纳米电子设备和纳米陶瓷材料方面具有潜在的用途。所以，金属填充氮化硼纳米管后的纳米材料在技术应用方面将有显著的优势。
本文运用基于密度泛函理论的第一性原理方法对铁纳米线填充BNNT的结构和电磁性能进行了详细的研究。具体工作是，BCC结构的Fen纳米线填充扶手椅型(8,8) BNNT的结构和电磁性能在第3章给出；HCP结构的Fe纳米线填充Z字型(n,0) BNNTs (8≤n≤15)的结构和电磁性能在第4章给出；铁，钴和镍纳米线填充扶手椅型(m,m)BNNTs的电子和磁性性能的比较研究在第5章给出。得到以下结论：
(1)  BCC结构的Fen纳米线填充扶手椅型(8,8) BNNT的结构和电磁性能的研究表明，优化结构后，对于细纳米线填充(8,8) BNNT，最初的形状（二次棱柱状的Fe纳米线和圆柱状的(8,8) BNNT）在优化后发生了看不见的变化，也没有出现纳米线与(8,8) BNNT的相对旋转，并且这样的系统的形成过程是放热的，原因是细纳米线与(8,8) BNNT间的相互作用较弱。磁矩的分析表明，B和N原子没有被磁化，但Fen@(8,8)系统的磁矩则有一个重大的增强，特别是对于细的纳米线填充(8,8) BNNT，由于与块体Fe相比配位数较少的表面原子的比率增加，并且外围纳米管的微弱影响导致了它们的磁矩与自由纳米线的磁矩相似。总DOS和电荷密度分析表明，Fen@(8,8)系统的自旋极化和磁矩都来自于Fen纳米线，这就意味着Fe5@(8,8)和Fe9@(8,8)系统能够应用于需求特定电子自旋的首选运输电路中。
(2)  HCP结构的Fe纳米线填充Z字型(n,0) BNNTs (8≤n≤15)的结构和电磁性能的研究表明，八种Fe@(n,0)系统中只有Fe@(8,0)系统的形成是吸热的，其他较大的系统的形成是放热的。因此，我们推测一个大直径的FNs可能自发地压缩到更大直径的BNNTs内部通过一个大约10-11的力。Fe@(n,0)系统的高自旋极化和磁矩均来源于铁纳米线，这就意味着它们能够应用于需求特定电子自旋的首选运输电路中，尤其是Fe@(12,0)和Fe@(13,0)系统。
(3)  铁，钴和镍纳米线填充扶手椅型(m,m)BNNTs的电子和磁性性能的比较研究表明，这三种FN4填充窄(6,6) BNNT的过程都是吸热的，而它们填充宽的(8,8) BNNT的过程则是放热的。FN4@(8,8)系统的自旋极化和磁矩均大于FN4@(6,6)的，是因为(8,8) BNNT对内部纳米线的约束较弱，但这两个结合系统的自旋极化和磁矩均小于相应的自由纳米线FN4的。并且Co4@(8,8)系统的自旋极化远大于Fe4@(8,8)和Ni4@(8,8)系统的，这就意味着Co4@(8,8)系统能够应用在依赖自旋运输的纳米器件的自旋阀中。