论文摘要
CNT由于具有独特的电学性质,稳定性和高迁移率,因此是电子器件技术中有巨大应用潜力的材料。而在基于CNT的器件中,金属/CNT接触性质是影响器件性能的关键因素之一。本文通过第一性原理的密度泛函理论,对这种接触性质进行了研究,主要涉及在2003年前后实验上发现的两个疑难问题:一、两种非常相似的金属Pt和Pd与CNT的接触具有完全不同的性质,其电导相差几个量级,其物理原因至今仍不清楚;二、如果把前一个问题归结为Pd/CNT的相互作用强于Pt/CNT,那么,无法解释为什么具有更强相互作用的Ti/CNT的电导远不如相互作用弱得多的Pd/CNT。这方面的实验现象及其物理理解的困难亟需理论研究的参与。但是在这方面,理论模拟这种接触存在巨大的挑战。金属包裹在CNT外的接触在结构上非常复杂,通常在计算机模拟上所用的边接触模型和端接触模型都不能真正反映实际情况。而且,由于Pd和Pt在电子结构和原子结构上非常相近,一个粗糙的模型很难反映Pd和Pt与CNT接触所形成的微小区别,进而找出导致它们在CNT上形成本质不同的接触的物理原因来。实际上,真正的金属包裹CNT的原子结构不管在实验上还是在理论上都不清楚。鉴于此,需要避免直接研究这种复杂结构,同时又能够反映这种接触的主要特征,并将这种接触形式的主要相互作用从复杂的多种效应中分离出来。作为一个简化,代替研究复杂的金属包裹CNT的形式,本工作将研究金属覆盖在graphene上的性质,以期对这个问题提供有用的信息。在另一方面,graphene实际上就是尚未卷起来的CNT;而graphene本身作为一个纳米碳家族的成员目前也已成为一个迅速增加的热点,已经引起了很大的注意,对于它与金属接触的研究本身也具有重要意义。计算表明,Pd和Pt单层在graphene上具有完全不同的层间距,Pd/graphene之间为2.49（?）,而Pt/graphene则高达3.34（?）。多层Pd和Pt覆盖在graphene上的界面层间距的差别也在这个量级,显示出较大的不同。进一步研究Pd/graphene体系的电荷转移情况表明,Pd的dxz+dyz轨道从graphene得到电子,其Pd的dz2态失去电子;我们称之为Pd与graphene之间发生电荷交换转移（exchange transfer）相互作用。它的特征是,graphene上转移到Pd的dxz+dyz轨道上的π电子,在很大程度上被Pd的dz2轨道上所转移过来的电子所补偿。Pd和graphene之间的电荷交换转移作用不但增加了相互作用态,还提供了更多电荷在金属和graphene之间转移的通道;更重要的是,它极大地补偿了graphene失去的电子,使其π态和反键态π*基本保持完整,这也正是Pd/graphene能具有良好电导的原因。而在Pt/graphene上,这个机制被Pt原子与Pt原子之间的dxz+dyz轨道很强的杂化相互作用所抑制。这种差异的关键是:存在于Pd/graphene和Pt/graphene界面处的金属-金属相互作用与金属-碳原子的相互作用竞争的不同,导致了Pd/graphene和Pt/graphene本质上不同的界面接触。计算还显示,Pt覆盖在graphene上时,在Pt层中有大约2.3%的伸张应变,应变层中的Pt原子有收缩成Pt体内距离的倾向。这种收缩趋势对于Pt来说,从Pt层内有1.0%伸张应变时就存在;而对于Pd层来说,直到6.4%的伸张应变也仍然不出现。这也进一步地证明当Pt覆盖在graphene上时,Pt-Pt相互作用在与Pt-C相互作用的竞争中占有优势:而对于Pd/graphene来说,则是Pd-C相互作用占有优势。我们使用的8个碳原子和3个金属原子化学配比的原胞,对于Pd和Pt来说,分别有3.5%和2.3%的伸张应变。上述结果显示,即使实际上金属/CNT并非这样的化学配比,在一个很大的应变范围内,从这个（8∶3）化学配比的原胞所得到的物理结论也不会改变。我们还尝试用H原子放置在Pd覆盖层上,来进一步证明Pd-Pd之间的弱dxz+dyz轨道杂化所起的关键作用。H在Pd/graphene上弛豫后,Pd与graphene发生排斥,稳定的界面层间距是3.08（?）。分析其原因发现,H原子吸引了Pd层中dxz+dyz轨道上的电子,使Pd与Pd之间dxz+dyz轨道的相互作用增强,从而Pd的dxz+dyz上电子云与graphene的π轨道上分布的电子云发生排斥,最终导致Pd/graphene之间的交换转移作用被抑制,使Pd层与graphene层的间距增大。一个单层的Ti在graphene上的吸附能是3.52 eV/unit cell,远大于一个单层的Pd在graphene上的吸附能（0.54 eV/unit cell）,这证实了实验上发现的Ti与CNT具有比Pd/CNT强得多的相互作用。Ti/graphene的电荷分布情况表明,与Pd/graphene不同,Ti的dxz+dyz态失去了部分电子,而Ti的dz2轨道得到了电子;在Ti与graphene之间,存在Ti的dz2和C的pz的很强的共价键。计算表明:在Ti/graphene中,graphene层在费米能级附近的π态和反键态π*已经被破坏,与Ti形成了很强的共价键,这使得Ti/graphene体系的电导减弱;而Pd/graphene体系中由于电荷交换转移作用补偿了graphene中的π电子,使得graphene中的π态基本保持,尤其是反键态π*与graphene中的情况几乎完全重合。因此,虽然Ti与CNT有很强的相互作用,但是正是由于这种强烈的作用破坏了CNT中赖以导电的π电子,所以Ti/CNT显示了比Pd/CNT差得多的导电性质。
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