硼摻雜碳納米管結(jié)構(gòu)和氣敏性能的理論研究.pdf

1、碳納米管傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高，工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，是制作氣敏傳感器的理想材料。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)測(cè)定吸附氣體分子前后碳納米管電導(dǎo)率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的檢測(cè)。但是，一些毒性氣體(如CO，NO，HCN等)，H<,2>O分子，以及多數(shù)生物分子，與碳納米管之間沒(méi)有相互作用或者作用很弱，因此納米管對(duì)此類分子沒(méi)有敏感性。為了克服這種局限性，科學(xué)界提出了通過(guò)對(duì)碳納米管進(jìn)行各種物理或化學(xué)修飾等手段改變其性能，制備功能性碳納米管，用以檢測(cè)各種氣相組份

2、。我們以硼摻雜方法為例，用理論化學(xué)方法研究了功能性碳納米管對(duì)氰化物和氨氣的氣敏性。理論化學(xué)方法從原子分子水平上揭示硼摻雜對(duì)納米管電子結(jié)構(gòu)和性能的影響，不僅具有重要的理論意義，而且能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新型的氣敏元件提供理論參考。 本文采用密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)研究摻雜硼原子對(duì)碳納米管的改性和硼摻雜碳納米管對(duì)氰化物和NH<,3>的氣敏性能。我們的研究基于DMol<'3>程序，使用P

3、erdew和Wang提出的局域密度泛函LDA函數(shù)和包含d極化函數(shù)的雙數(shù)字基組(DND)。通過(guò)計(jì)算優(yōu)化了體系的構(gòu)型，計(jì)算了吸附能、前線軌道能級(jí)差和氣體分子與納米管之間的電荷轉(zhuǎn)移。為討論納米管體系的電性質(zhì)，分析了體系的電子態(tài)密度。 我們以(8，O)和(5，5)碳納米管為例，研究了硼摻雜對(duì)納米管性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，摻入硼原子會(huì)引起納米管幾何和電子結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致其電性質(zhì)發(fā)生變化，使得碳納米管活性增大，因此我們推測(cè)硼摻雜可以增強(qiáng)

4、納米管的氣敏性能。 通過(guò)計(jì)算氰化物一納米管體系，我們發(fā)現(xiàn)純的(8，O)碳納米管與氰化氫和氯化氰之間僅靠弱的van der Waals力相互作用，沒(méi)有電荷轉(zhuǎn)移，因此，純碳納米管對(duì)氰化物沒(méi)有敏感性。當(dāng)碳納米管中的某些碳原子被硼取代以后，納米管上出現(xiàn)空穴，成為p型半導(dǎo)體材料。它與富電子的氰化物分子作用時(shí)，從氰化物分子向硼摻雜碳納米管發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，顯著的改變了納米管的導(dǎo)電性，使得半導(dǎo)體納米管顯示金屬性。通過(guò)測(cè)定硼摻雜碳納米管的電導(dǎo)率在吸

5、附氰化物分子前后的變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氰化物的檢測(cè)。采用同樣的理論方法，本文還計(jì)算了NH<,3>一納米管體系，結(jié)果顯示純的(8，0)和(5，5)碳納米管對(duì)NH<,3>分子沒(méi)有敏感性。而對(duì)于硼摻雜的(8，0)和(5，5)碳納米管，當(dāng)吸附NH<,3>分子后，納米管費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度發(fā)生很大變化，并且從NH<,3>分子向硼摻雜碳納米管發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得納米管的電導(dǎo)率發(fā)生改變。通過(guò)測(cè)定硼摻雜碳納米管的電導(dǎo)率在吸附氨氣前后的變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氣