碳納米管與過(guò)渡金屬團(tuán)簇相互作用的第一性原理研究.pdf

1、碳納米管(CNT)自1991年被Iijima教授發(fā)現(xiàn)，在十多年的時(shí)間里在固體物理、分子物理和化學(xué)等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的研究。吸引人們研究這樣一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、僅含單一元素的材料源于碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)它的電學(xué)性質(zhì)隨著手征性的不同而表現(xiàn)出半導(dǎo)體、導(dǎo)體甚至超導(dǎo)體等豐富的特性。這些性質(zhì)使得碳納米管作為一種納米尺度的材料在開發(fā)新型微電子器件、新型高強(qiáng)度納米材料方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而實(shí)際在碳納米管的制備和純化等后期處理的過(guò)程中，不

2、可避免的將引入缺陷和吸附雜質(zhì)。隨后人們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)有意引入雜質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)碳納米管的性質(zhì)，這大大的拓展了碳納米管的應(yīng)用范圍。引入的雜質(zhì)可以是有機(jī)物、生物大分子，也可以是無(wú)機(jī)物。其中一類重要的摻雜為納米尺度的金屬團(tuán)簇。這樣的納米金屬團(tuán)簇本身就由于量子效應(yīng)使得其具有不同于塊體的電學(xué)和磁學(xué)特性。尤其是3d過(guò)渡金屬在磁性，電性上更具有豐富的物理性質(zhì)，而且在催化等領(lǐng)域有重要的實(shí)用價(jià)值。已有大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作表明，缺陷和雜質(zhì)對(duì)于碳管的性質(zhì)有重要的調(diào)制。

3、所以我們認(rèn)為結(jié)合碳納米管和過(guò)渡金屬的納米團(tuán)簇這兩個(gè)研究熱點(diǎn)的模擬計(jì)算工作將是非常有意義的。 在本論文的工作中，我們利用第一原理計(jì)算方法，研究了有缺陷碳納米管和金屬團(tuán)簇?fù)诫s碳納米管的模擬計(jì)算。主要內(nèi)容分為三個(gè)部分： (1)研究了不同缺陷濃度和不同缺陷類型下金屬性碳管的力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)對(duì)比不同缺陷形態(tài)碳納米管的楊氏模量，分析了納米尺度下缺陷對(duì)碳納米管力學(xué)性能的影響。并進(jìn)一步研究了缺陷碳管的電學(xué)磁學(xué)性質(zhì)。 (2)在對(duì)Fe

4、<,4>團(tuán)簇的幾何構(gòu)型，電、磁學(xué)性質(zhì)詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究了Fe<,4>團(tuán)簇吸附在碳管內(nèi)壁外壁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，得到了多種亞穩(wěn)態(tài)；并通過(guò)結(jié)合能的比較得到了基態(tài)結(jié)構(gòu)。分析了Fe<,4>團(tuán)簇和碳管之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)Fe－C，F(xiàn)e－Fe這兩種競(jìng)爭(zhēng)的效應(yīng)共同決定了Fe<,4>的構(gòu)型。提出了碳管可以作為約束納米金屬團(tuán)簇的可控模板的構(gòu)想。計(jì)算得出了“Fe<,4>+CNT”復(fù)合體系的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Fe團(tuán)簇吸附在內(nèi)外壁的不同效果。進(jìn)而研

5、究了“Fe<,4>+CNT”復(fù)合體系的力學(xué)性質(zhì)，和隨之帶來(lái)的此復(fù)合體系的電學(xué)，磁性的變化。 (3)作為對(duì)比，我們研究了Fe<,4>團(tuán)簇在單層石墨上的吸附的穩(wěn)定構(gòu)型。對(duì)比Fe<,4>團(tuán)簇在石墨和碳納米管內(nèi)外壁的吸附情況，總結(jié)了吸附結(jié)合能及磁矩隨C—C網(wǎng)絡(luò)曲率的變化規(guī)律。 總之，在本論文中我們較系統(tǒng)的研究了引入空位缺陷后碳管的性質(zhì)，和Fe<,4>這樣一種過(guò)渡金屬納米團(tuán)簇雜質(zhì)摻雜后碳管的力學(xué)，電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。我們的計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)