BN納米管的功能化修飾及其氣敏特性的理論研究.pdf

1、以碳納米管為主的納米管材料，具有特殊的中空纖維狀結(jié)構(gòu)，非常大的比表面積，因此表現(xiàn)出迥異于體材料的一些效應(yīng)：如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。它們所展現(xiàn)出的優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高彈性、高韌性、優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電能力、光與磁性質(zhì)、化學(xué)催化性能，引起了物理學(xué)家、材料學(xué)家、化學(xué)家的廣泛興趣。越來越多的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，以碳納米管為代表的納米管材料在納米電子器件、顯示器、儲氫材料、高強(qiáng)度纖維材料、光催化劑、電磁吸波材料、陶瓷材料和建

2、筑材料等方面將發(fā)揮重要的作用。 氮化硼納米管是繼碳納米管之后人們發(fā)現(xiàn)的另一種納米管材料，和碳納米管的結(jié)構(gòu)基本相似，也是中空的、表面是六邊形孔狀的管體材料，B和N原子以sp2雜化態(tài)形成平面的類似于石墨的結(jié)構(gòu)。 BN納米管有著不同于碳納米管的電學(xué)性質(zhì)。碳納米管禁帶寬度很敏感地隨著納米管的直徑和手性發(fā)生變化，表現(xiàn)出從金屬到半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)。而BN納米管則不論其直徑和手性如何變化，都有著大體一致的禁帶寬度，其禁帶寬度始終是5.5

3、eV左右，表現(xiàn)出穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。另外，氮化硼納米管還有一些不同于碳納米管的特性，如：耐高溫和抗氧化性等，使其可能在電子器件如高溫半導(dǎo)體、絕緣體、單電子晶體管、氣體儲存、磁性致冷等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 氮化硼納米管是一種離子性比較強(qiáng)的納米材料，其反應(yīng)活性很弱，不容易與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)的反應(yīng)，但是利用摻雜等修飾手段可以增強(qiáng)氮化硼納米管的反應(yīng)活性，誘導(dǎo)它的半導(dǎo)體特性，實(shí)現(xiàn)其功能化應(yīng)用。 本論文根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)行的研究進(jìn)展情況

4、，采用密度泛函理論計(jì)算的方法，進(jìn)行了以下工作，可以分為兩部分： 第一部分主要介紹了所從事的研究工作的理論基礎(chǔ)，包括兩章內(nèi)容： 第一章介紹了氮化硼納米管的基本結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁性等特性以及應(yīng)用，制備、表征等常用方法。氮化硼納米管是一種離子性比較強(qiáng)的納米材料，硼元素和氮元素對管材料電子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶和價(jià)帶的貢獻(xiàn)不同，當(dāng)外來原子吸附在氮化硼納米管的不同位置時可以得到不同類型的半導(dǎo)體材料。比如氫吸附在硼位時，可以得到p型半導(dǎo)

5、體納米管，氫吸附在氮位時，得到n型半導(dǎo)體納米管，這為開發(fā)氮化硼納米管制作納米電子器件提供重要理論依據(jù)。第二章介紹密度泛函理論的基本理論、交換相關(guān)能泛函、贗勢方法等。 第二部分詳細(xì)介紹了作者本人攻讀學(xué)位期間所做的主要研究工作： 第三章研究金屬Al原子替代和吸附在氮化硼納米管表面，納米管的結(jié)構(gòu)和電子學(xué)性質(zhì)的變化，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al替代BN納米管表面的N原子，會產(chǎn)生一些雜質(zhì)態(tài)，而Al替代B原子沒有雜質(zhì)態(tài)產(chǎn)生。這與Al和B屬于同一族

6、元素，它們具有相同的核外結(jié)構(gòu)有關(guān)。還發(fā)現(xiàn)Al摻雜的BN對于氣體CO有很強(qiáng)的相互作用，并且吸附的CO氣體改變了BN納米管的電子結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為可以借助于BN納米管吸附氣體前后導(dǎo)電特性的變化，探測氣體CO存在，從而利用BN納米管材料制作氣體敏感材料，這是以前的研究所未曾涉及到的。 第四章研究Li原子吸附在氮化硼納米管表面時與納米管之間的相互作用。計(jì)算了吸附能、Li原子在氮化硼納米管管壁穿透時的勢壘、研究了缺陷對BN納米管吸附Li原子的

7、影響，分析了氮化硼納米管的儲鋰功能{在模擬退火時觀察了升降溫過程中Li原子在氮化硼納米管內(nèi)部的振動情況。我們發(fā)現(xiàn)Li原子與(8，0)BN納米管的相互作用時，無論在管內(nèi)或者管外，當(dāng)Li原子到管壁的距離小于約2.0埃時，納米管對Li原子有強(qiáng)烈的排斥作用。這些非常高的勢壘，阻止了Li原子在BN納米管壁上的穿透。在管內(nèi)到軸距離約是1.0埃的區(qū)域，是勢能低洼區(qū)。 第五章研究氮化硼納米管與氣體小分子的相互作用過程。主要研究了氮化硼納米管對幾

8、種常見氣體分子CH<,4>，CO<,2>，H<,2>,H<,2>O，N<,2>，NH<,3>，NO<,2>，O<,2>，F(xiàn)<,2>吸附能力的強(qiáng)弱，分析了氮化硼納米管對這些氣體小分子的識別監(jiān)測能力。由于缺陷的存在，摻雜C的BN納米管要比純BN納米管易于吸附氣體分子，吸附能數(shù)值較大，而且氣體比較容易吸附在缺陷位置上。同時，當(dāng)氣體NO<,2>，O<,2>，F(xiàn)<,2>吸附在氮化硼納米管表面時，產(chǎn)生了一些雜質(zhì)態(tài)，對氮化硼納米管的導(dǎo)電性產(chǎn)生了影響。