納米管及氫吸附的結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、作為最有前景低維材料之一的納米管具有特殊的結(jié)構(gòu)；奇異的力學性能；電學性能和熱力學性能，引起研究者的廣泛關注。本論文采用基于第一性原理的SIESTA軟件，對納米管和氫原子化學吸附后的納米管的結(jié)構(gòu)，力學，電子結(jié)構(gòu)和熱力學進行了計算分析。計算主要包括兩部分：第一部分主要研究氫原子吸附在鋸齒型(zigzag)碳納米管外壁，所能形成的穩(wěn)定構(gòu)型，并對吸附后的構(gòu)型的電子結(jié)構(gòu)和力學性能進行了分析；第二部分主要對扶手椅(armchair)和鋸齒型，這兩種

2、類型的硼納米管進行了計算。硼納米管和碳納米管相比，硼納米管的穩(wěn)定性是研究關注的重點。運用分子動力學，對硼納米管的熱穩(wěn)定性進行了預測，并對其熱膨脹性能進行了分析。
　　 對于氫原子吸附在碳納米管的構(gòu)型的研究。首先分析了不同覆蓋率下，三種吸附方式的相對穩(wěn)定性。從能量的計算結(jié)果分析可知，形成吸附雙聚合(double-dimer)構(gòu)型的穩(wěn)定性最好。在這一吸附方式下，對碳管(7，0)到(11，0)的吸附構(gòu)型進行了研究。發(fā)現(xiàn)在氫原子的覆蓋率

3、X=n-8/n×100％(n為被吸附的碳管晶胞的原子數(shù))時，存在兩種類型即類型A和類型B的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，類型A只存在于(7，0)和(8，0)碳管上，類型B則發(fā)生在(8，0)，(9，0)，(10，0)和(11，0)的碳管上。這兩種轉(zhuǎn)變的構(gòu)型比相同吸附率下的別的構(gòu)型穩(wěn)定。對于類型B的構(gòu)型，沿著軸向，sp3雜化在所有的位置都得到了增強，而對于類型A的構(gòu)型，在軸向吸附氫原子的位置，傾向于sp3雜化。當類型A轉(zhuǎn)變發(fā)生時，吸附的碳管會從半導體性轉(zhuǎn)變成金

4、屬性。而類型B的吸附構(gòu)型會從金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w性，或者從窄帶隙的半導體轉(zhuǎn)變成寬帶隙的半導體，而且類型B構(gòu)型的帶隙數(shù)值比覆蓋率達到100％的構(gòu)型的帶隙還要大。對這兩種轉(zhuǎn)變的電荷密度計算表明，他們的電荷轉(zhuǎn)移只發(fā)生在沒有氫原子吸附的C-C鍵的位置。電荷的轉(zhuǎn)移和所在位置的C-C鍵的鍵長有很大關系。鍵長減小對應著電荷密度的增加，反之，則減小。
　　 吸附后碳管的楊氏模量的數(shù)值隨著氫覆蓋率的增加而逐步的減少，楊氏模量的數(shù)值在覆蓋率為50％時

5、，大約是未吸附前一半；而在覆蓋率為100％時，其數(shù)值僅是未吸附前的三分之一。在同一覆蓋率下，類型A構(gòu)型的楊氏模量數(shù)值比同一吸附率下的其他構(gòu)型的數(shù)值要大，說明類型A轉(zhuǎn)變，一定程度上提高了楊氏模量數(shù)值?？傮w來說，類型B構(gòu)型比同一吸附率下的其他構(gòu)型的楊氏模量的數(shù)值略小。比如類型A和類型B在碳管(8，0)的構(gòu)型的楊氏模量分別為400.63和358.53GPa，而相同吸附率下其他構(gòu)型的數(shù)值在370 GPa左右。
　　 對目前理論得到的最穩(wěn)

6、定的硼的平面結(jié)構(gòu)α單層(α-sheet)卷曲形成的硼納米管進行了計算。硼納米管的形變能隨著管徑的增大而減小。而徑向拉伸的作用下的形變能隨著Z軸施加應變的增大而增大。扶手椅型的硼納米管的穩(wěn)定性比鋸齒型的更好一些。在采用殼層厚度為0.244 nm時，直徑為0.65到1.96 nm的范圍內(nèi)的硼納米管的楊氏模量在0.52到0.63 TPa之間。鋸齒型硼納米管的楊氏模量比扶手椅型納米管的數(shù)值要大15％左右，兩種類型的納米管的楊氏數(shù)值隨著管徑的增大

7、，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在1.14-1.40 nm直徑的范圍，兩種類型的楊氏數(shù)值得到最優(yōu)值。兩種類型的泊松比，在0.16-0.20之間。
　　 通過分子動力學的研究，對硼納米管的熱穩(wěn)定性進行了預測，硼納米管在1000K以下保持穩(wěn)定，而且小管徑的硼納米管具有更好熱穩(wěn)定性。兩種類型的硼納米管的熱膨脹系數(shù)，在低溫區(qū)顯示為負值，隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)從負值變?yōu)檎?。這和碳管的熱膨脹系數(shù)的變化趨勢是一樣的。以硼納米管(4，0)為例