碳納米管場發(fā)射的線性標(biāo)度模擬.pdf

1、本論文主要目的是通過量子力學(xué)方法對碳納米管的場發(fā)射行為展開模擬，期望能從中發(fā)現(xiàn)一定規(guī)律并能對一定實驗現(xiàn)象進行驗證。 第一章主要介紹碳納米管的有關(guān)研究進展和場發(fā)射特性。實驗中發(fā)現(xiàn)碳納米管在場發(fā)射方向具有發(fā)射電流密度大、功函數(shù)小、閾值電場低、發(fā)射電流穩(wěn)定性好等性質(zhì)。這些特性與其獨特的幾何結(jié)構(gòu)、納米級尖端曲率半徑有關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn)其具有一些不同于傳統(tǒng)場發(fā)射體的發(fā)射特性，比如電流飽和等特性。 第二章主要介紹有關(guān)研究理論研究方法。碳納

2、米管場發(fā)射性質(zhì)的研究需解決具有大量電子的體系，傳統(tǒng)量子計算方法精度高，但計算量巨大，不適宜用于該項計算。從1991年開始，廣泛線性標(biāo)度方法研究持續(xù)進行。線性標(biāo)度基本原理同電子局域性有關(guān)。有關(guān)線性標(biāo)度方法包括直接方法和變分法，在直接方法中將介紹費米算子展開算法和Kernal多項式展開法。變分法將介紹密度矩陣最小化方法和局域軌道最小化方法。此外，也會介紹本論文使用的“Divide Conquer”方法。除線性標(biāo)度方法以外，對于大體系計算方法

3、還將介紹量子力學(xué)／分子力學(xué)方法和ONIOM方法。本論文在計算中選用1微米級別(5,5)碳納米管作研究對象。主要采用量子力學(xué)／分子力學(xué)方法，在計算具體量子力學(xué)部分時，采用“分而治之”方法。計算電荷分布時采用鏡像電荷模型和準(zhǔn)平衡態(tài)模型。分子力學(xué)部分使用經(jīng)典電學(xué)方法進行電荷擬合。根據(jù)計算獲得電勢基于經(jīng)典場發(fā)射模型對發(fā)射電流進行計算。 第三章主要討論閉合末端納米管的場發(fā)射理論研究。在具體模擬前，先根據(jù)計算時間和計算精度設(shè)定合適的量子力學(xué)

4、部分長度，劃分格子中心和緩沖區(qū)的大小。計算中對管尖端區(qū)域的勢壘，軸向電荷密度以及發(fā)射電流等進行研究。根據(jù)計算有關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)射區(qū)電勢隨著溫度上升而勢壘緩慢下降，這一趨勢隨著外加場強削弱而變得明顯，相應(yīng)的軸向極化電荷密度衰減速度也隨著溫度上升而加快。這一趨勢在低外加場下更明顯。局域極化場強在外加場固定時接近常數(shù)。發(fā)射電流受到勢壘下降影響，在低場強下隨溫度上升增加速度加快。對于這些結(jié)果，本論文認(rèn)為是體相極化電荷在溫度升高時激發(fā)到高能級尖端區(qū)域的

5、空軌道，從而使尖端區(qū)域勢壘削弱。在外加場強比較高時，場效應(yīng)占主要因素。 第四章主要討論開口末端碳納米管場發(fā)射理論模擬。開口末端碳納米管在軸向電勢和極化電荷密度等參數(shù)上，具有類似閉合末端碳納米管的溫度效應(yīng)，但是受到結(jié)構(gòu)制約，沒有閉合末端納米管顯著。由垂直于開口末端軸線的電荷分布顯示，開口末端納米管有關(guān)電荷主要集中在尖端區(qū)域表面。不同半徑的平行軸心方向的電勢形狀具有相似特性?？臻g電荷密度對于局域電勢分布有相關(guān)影響。開口末端碳納米管由

6、于電子主要集中在表面，因而只能從表面末端發(fā)射。開口末端碳納米管場發(fā)射主要經(jīng)由末端碳原子的游離p軌道，限于末端有限的軌道數(shù)目和激發(fā)難度，開口末端碳納米管比閉合末端碳納米管發(fā)射困難。這一結(jié)果同實驗接近。 第五章對目前方法中的不足之處給出說明。對于研究模型上，目前采用的準(zhǔn)平衡態(tài)模型限制發(fā)射過程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有必要采用分子動力學(xué)方法進行動態(tài)模擬。對于場發(fā)射模型，單壁納米管的場穿透效應(yīng)沒有考慮，實驗中采用的多壁碳納米管之間的靜電作用也有待