低維碳納米材料的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控.pdf

1、本論文采用密度泛函理論計(jì)算，研究了低維碳納米材料(石墨和碳納米管)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控、磁性機(jī)理以及制造磁性材料的可能性。內(nèi)容包括碳離子注入石墨后產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，單層石墨片(graphene)表面化學(xué)修飾，碳納米管表面化學(xué)修飾，碳納米管管內(nèi)金屬銀原子摻雜等方面。重點(diǎn)研究了各種功能化修飾對(duì)體系電子結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)自旋極化的計(jì)算分析了各種情況下體系產(chǎn)生局域磁矩的可能性，提出了制造基于石墨和碳納米管的磁性納米材料和電子輸運(yùn)器件的可能性和方法。

2、本論文主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 一、系統(tǒng)分析了碳離子注入石墨的電子性質(zhì)和誘發(fā)磁性產(chǎn)生的原因。系統(tǒng)分析了離子注入對(duì)石墨材料的影響，注入過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種缺陷的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。通過(guò)我們的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各種缺陷中只有空位缺陷的局域磁矩能夠有效的鐵磁耦合，對(duì)宏觀磁性起作用；籠形缺陷在特定密度下能夠產(chǎn)生宏觀磁矩。而其余各種缺陷如間隙Spiro 缺陷、間隙原子-空位復(fù)合對(duì)、Stone-wale缺陷等雖然能夠大量存在，但是都不具有局域磁矩。

3、 二、討論了通過(guò)單層石墨(graphene)表面單價(jià)修飾和雙價(jià)修飾的方法制造磁性材料的可能性。我們發(fā)現(xiàn)單純依靠單價(jià)修飾來(lái)產(chǎn)生磁性需要極高的修飾濃度并且修飾位置必須統(tǒng)一在相同石墨次晶格的碳原子上，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)幾乎不可能。而雙價(jià)修飾的磁性對(duì)修飾濃度要求不高，并且修飾位也沒(méi)有限制。但是，局域磁矩依賴(lài)于雙價(jià)修飾基上未成對(duì)的p電子，這些p電子往往具有很強(qiáng)的化學(xué)不穩(wěn)定性，在空氣中很容易被飽和，而失去磁性。我們指出，如果實(shí)驗(yàn)上能夠很好的保護(hù)修飾基

4、不被飽和，雙價(jià)修飾的石墨將有可能在納米材料和自旋輸運(yùn)材料上有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 三、研究了在單壁碳納米管內(nèi)制備納米級(jí)超細(xì)導(dǎo)線的可能性。因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，拉成納米量級(jí)粗細(xì)的金屬導(dǎo)線，在空氣中很容易被氧化，這就提出了如何對(duì)這些超細(xì)的金屬導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)的問(wèn)題。而單壁碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)特性和獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，自然成為制造納米導(dǎo)線的首選。我們系統(tǒng)的研究了在不同粗細(xì)的金屬性和非金屬性單壁碳納米管內(nèi)部摻雜不同濃度銀原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)

5、只要摻雜銀原子的濃度達(dá)到一定比例，整個(gè)的復(fù)合體系具有很好的電導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，從而使制備超細(xì)金屬導(dǎo)線成為可能。我們還從物理和化學(xué)兩方面分析了金屬原子進(jìn)入碳納米管內(nèi)部的可能性并提出了實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的方法。 四、研究了單壁碳納米管外壁氫原子修飾的電子結(jié)構(gòu)和磁性。發(fā)現(xiàn)外壁氫原子修飾后，導(dǎo)致碳納米管外壁相關(guān)碳原子sp3雜化，使得金屬性碳納米管出現(xiàn)帶隙，并在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生非常定域的雜質(zhì)能帶。在一定程度上，由于帶隙的出現(xiàn)碳納米管喪失導(dǎo)電性。如果

6、氫原子修飾的濃度足夠大，并且氫原子的修飾位置統(tǒng)一在相同次晶格的碳原子上時(shí)，由于定域電子態(tài)之間的直接耦合將會(huì)發(fā)生自旋極化而具有磁性，這為制備最小的納米磁性材料提供了一種可行的手段。 五、研究了單壁碳納米管((5，5)和(8，0))外壁存在含氮本征缺陷時(shí)的電子結(jié)構(gòu)和磁性，缺陷結(jié)構(gòu)包括雙價(jià)氮原子外壁吸附、氮原子替位缺陷、氨基吸附以及外壁含氮原子的空位缺陷。碳納米管外壁雙價(jià)氮原子的存在往往會(huì)產(chǎn)生局域磁矩，和石墨片表面的雙鍵修飾誘發(fā)磁性一