碳纳米管的声子谱与热特性研究

论文摘要

碳纳米管是一种新型的碳材料。自从碳纳米管被成功制备以来,碳纳米管的研究已成为当前的前沿课题之一。由于晶格振动对物质的力、热、光、电等物理性质的重要影响,因此研究碳纳米管的声子谱性质对于研究纳米管的物理性质非常重要。关于碳纳米管的声子谱及振动态密度的计算方法有好几种。现在比较常用的是用动力学模型来计算。分子动力学方法在算法上相对简单,在精度上比较适中。1998年,Saito等人采用力常数模型计算了纳米碳管的声子谱,引入力常数矩阵,由此可较完整地得到碳纳米管的振动模式。所得结果也与采用Raman光谱所测得的实验结果比较符合,但其复杂的旋转操作使构造动力学矩阵不够简便。本文采用一套简便而有效的旋转操作,用一对原子来进行平移和旋转操作,大大简化了动力学矩阵的计算。方便地计算出不同类型碳纳米管的声子谱和振动模式密度。由于碳纳米管在纳米器件的广泛应用,研究碳纳米管的热学特性尤为重要。但它热学特性的研究才刚刚开始,实验结果也很有限。本文第5章在单壁碳纳米管的声子谱和态密度研究结果的基础上,深入研究了单壁管的比热随温度的影响和热导率的变化规律。近年来,双壁管也成为了研究的热点。本文第6章研究了双壁碳纳米管的声子谱计算方法,并对它的热特性在实验上的一些结果进行了简单的分析。

论文目录

• 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书
• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管的发现
• 1.2 碳纳米管的制备及纯化
• 1.2.1 电弧法
• 1.2.2 激光蒸发法
• 1.2.3 催化气相沉积法
• 1.2.4 碳纳米管的纯化
• 1.3 碳纳米管的性质及其应用
• 1.3.1 碳纳米管的性能研究
• 1.3.2 碳纳米管的应用
• 1.4 本文工作的研究背景及意义
• 第2章 碳纳米管的结构
• 2.1 碳纳米管的原子结构
• 2.1.1 单层碳纳米管原子结构
• 2.1.2 多层碳纳米管（MWNT）的原子结构
• 2.2 单层碳纳米管的布里渊区（BZ）
• 2.3 碳纳米管的价键结构
• 2.4 碳纳米管的群理论
• 第3章 碳纳米管声子谱的计算方法
• 3.1 石墨的声子色散关系计算
• 3.2 碳纳米管的声子色散关系计算方法的简单介绍
• 3.2.1 区域折叠法
• 3.2.2 力常数张量法
• 3.2.3 连续模型法
• 第4章 一种新的晶格动力学模型计算SWNT 的声子谱
• 4.1 方法介绍
• 4.2 模型的计算与推导
• 4.3 结果与讨论
• 第5章 单壁碳纳米管的热特性研究
• 5.1 二维石墨片的热特性
• 5.1.1 石墨片的比热
• 5.1.2 石墨片的热导率
• 5.2 单壁碳纳米管的比热
• 5.3 碳纳米管热导率的计算
• 第6章 双壁碳纳米管的声子谱和热特性研究
• 6.1 双壁管的声子谱计算
• 6.2 DWNT 的热特性研究
• 6.2.1 DWNT 的比热
• 6.2.2 DWNT 的热导率
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢