碳納米管異型結構以及生長機理的理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、因其獨特的電子傳輸、機械、氣體吸附等性質,碳納米管已在多種領域得到廣泛的應用。通過介入五元、七元或者八元等非六邊形環(huán)連接而成的Y、T、X、I或者L型碳納米管異質結,可用于制造二極管和晶體管等電子器件,也已經在納米功能材料和納米電子領域顯示出良好的應用前景,引起物理、化學及材料等學科界的極大興趣。但由于碳納米管及異質結的納米級結構,限于目前實驗方法和實驗條件的不足,碳納米管以及碳納米管異質結的合成控制和性質研究仍存在許多未知問題。而理論研

2、究,可以在原子水平上直觀有效地模擬碳納米管的結構、性質和形成過程,對實驗現(xiàn)象進行合理的解釋,并為相關的機理研究提供研究手段和理論依據。
   本論文應用Dmol3、Gaussian03程序包中的密度泛函理論,以及緊束縛勢能函數(shù)以及Brenner勢能函數(shù)對碳納米管生長過程、碳納米管異質結的性質進行了研究,主要內容包括:
   1.綜述了碳納米管的結構、性質和生長機理,異型碳納米管的合成方法,結構和穩(wěn)定性的關系,電學、力學、

3、熱學、光學性質以及相關的分子模擬方法在異型碳納米管研究中的應用進展,并簡要介紹了其在電子器件,儲氫材料以及其它功能復合材料方面的應用。最后,討論了目前研究中存在的問題并展望了該領域今后的發(fā)展趨勢。
   2.構建了具有不同缺陷排列的X,T和Y型碳納米管異質結,采用經驗勢能函數(shù),討論了最為穩(wěn)定的缺陷排列方式并得出了異質結穩(wěn)定性同管徑大小的關系。結果表明,碳納米管分支的直徑、螺旋型和缺陷排列都是影響異型碳納米管穩(wěn)定型的重要因素,最穩(wěn)

4、定的Y,T和X型碳納米管分別包括6,6和12個七元環(huán)。鋸齒型異質結的穩(wěn)定性高于扶手椅型,異質結原子的平均能量和管徑存在一定的函數(shù)關系。
   3.采用密度泛函理論B3LYP方法結合6-31G(d)基組,優(yōu)化了兩組彎曲型和直型碳納米管異質結(3,3)-(6,0)和(4,4)-(8,0),并在此基礎上比較了這兩種典型異質結的幾何特性、穩(wěn)定性、電荷分布及電子結構的不同。結果表明,彎曲型異質結的穩(wěn)定性要高于直型異質結,而且彎曲型和直型異

5、質結的前線軌道具有明顯不同的分布,HOMO和LUMO軌道能級差也具有很大的不同。為得到反鐵磁性的自旋極化基態(tài),同時采用自旋非限制性方法進行計算,結果表明直型(4,4)-(8,0)存在反鐵磁性的自旋極化基態(tài),自旋極化發(fā)生在鋸齒型分支和缺陷環(huán),并引起了電子結構的極大變化。另外,采用密度泛函理論GGA近似方法結合PW91函數(shù),基于周期性邊界條件的能帶結構的計算結果表明彎曲型異質結的能帶寬大于直型異質結的能帶寬,說明直型異質結的導電性有強于彎曲

6、型異質結的趨勢。
   4.運用密度泛函理論的GGA/PW91方法對有限長Y型碳納米管的結構和性質進行了研究。結果表明,由于缺陷環(huán)的影響,Y型碳納米管具有與直型管明顯不同的性質。而且,Y型碳納米管結構和性質同分支管長度有一定的關系。當分支管長度大于10A時,Y型碳納米管的結構,能隙和電學性質均出現(xiàn)了周期性振蕩變化的趨勢。
   5.采用密度泛函理論研究了金屬催化劑顆粒存在下的碳納米管生長過程中吸附于管壁的碳原子如何遷移到

7、碳納米管靠近金屬顆粒表面的底部,轉化為碳納米管完整格點的過程。所有的吸附原子均能同已經生成的碳納米管壁結合成強的共價鍵,說明碳納米管吸附原子的轉移是碳納米管生長的重要因素。通過分析碳原子吸附在各個位點的能量,得到最為穩(wěn)定的吸附點在碳納米管和催化劑的連接處。由于催化劑的存在,吸附原子的遷移呈現(xiàn)高度的各向異性。盡管Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn都可以用作化學氣相沉積生產碳納米管的催化劑,但是Co、Ni和Zn不僅使碳納米管生長速率加

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