碳纳米管缺陷对电子结构和输运性质影响的第一原理研究

论文摘要

碳纳米管在纳米科学中有着广泛的应用前景。由于它的准一维结构和独特的电子性质,碳纳米管在很多领域有着潜在的应用,例如平板显示器和纳米器件。在本论文中,我们研究了碳管上分子吸附和缺陷的电子结构和输运性质。使用基于密度泛函理论的Dmol3程序,我们计算了在场发射的条件下,气体分子CH4,CO和H2O在碳管尖区的吸附。由于气体分子在强电场下会分解成自由基,因此也考虑了自由基CH3和OH的吸附。通过计算得到的电离势和功函数,我们发现H2O和CH3有利于碳管的场发射,而CH4,CO和OH不利于场发射。其中,H2O和CO的结果与实验结果一致,而实验上发现的CH4增强场发射电流的现象可能是由于CH4电离产生CH3的缘故。我们研究了含有双空位的碳纳米管的输运性质。首先使用第一原理平面波方法优化了碳管双空位体系在0%,3%和6%的拉伸下的几何结构。之后,又使用单粒子格林函数方法计算了体系的输运性质。计算发现,不同的拉伸会导致缺陷附近的不同的结构,这也会改变透射函数在费米能级附近的数值。其中,碳管在3%拉伸附近时的电导最大。我们也使用了多尺度的杂化能量密度方法研究了碳纳米管双空位体系的结构性质,之后,对优化好的结构,又使用单粒子格林函数方法研究了其输运性质。计算表明,在外加的轴向拉力下,碳管的几何结构会发生重构,这也会改变碳管的输运性质并减小体系的电导。这个结构的重构不能通过单纯的不包含量子力学描述的分子动力学模拟得到。我们也模拟了O2在含双空位的（5,5）碳纳米管上的吸附。第一原理平面波计算和单粒子格林函数计算分别被用于结构优化和输运性质研究。计算指出,O2可以在含缺陷的碳管上被物理吸附或是化学吸附。其中,物理吸附对输运性质的影响很小,而化学吸附可以提高输运性质。对于化学吸附,倾斜和垂直双空位对应的构型的电导也是不同的,这可以被解释为不同的O-O距离导致O原子能级相对于费米能级的位置不同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 碳纳米管的实验制备
• 1.3 碳纳米管的基本性质
• 1.3.1 碳纳米管的几何结构
• 1.3.2 碳纳米管的电子性质
• 1.4 碳纳米管中的拓扑缺陷
• 1.5 碳纳米管管壁的分子吸附
• 1.6 碳纳米管的场发射性质
• 1.6.1 场发射的一般理论
• 1.6.2 碳纳米管的场发射
• 1.6.3 缺陷吸附对碳纳米管场发射性质的调节
• 1.7 碳纳米管的输运性质
• 1.7.1 完整碳管的输运性质
• 1.7.2 缺陷对碳纳米管输运性质的改变
• 1.7.3 掺杂的效应
• 1.7.4 气体分子吸附对碳管输运性质的影响
• 1.7.5 碳管变形对输运性质的影响
• 1.8 研究目的与研究内容
• 1.8.1 论文研究目标
• 1.8.2 各章主要内容
• 第2章 理论方法
• 2.1 第一原理密度泛函理论
• 2.1.1 多粒子薛定谔方程
• 2.1.2 绝热近似
• 2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.4 Kohn-Sham方程
• 2.1.5 交换关联泛函
• 2.1.6 体系的总能
• 2.2 第一原理赝势平面波方法
• 2.2.1 基于平面波基的Kohn-Sham方程
• 2.2.2 k空间积分
• 2.2.3 赝势方法
• 2.3 第一原理团簇方法――DMol
• 2.3.1 基于原子轨道基的Kohn-Sham方程
• 2.3.2 数值基组
• 2.3.3 Mulliken占据数
• 2.3.4 态密度
• 2.4 计算电子输运性质的格林函数方法
• 2.4.1 格林函数方法的基本公式
• 2.4.2 TRANK程序中对于偏压的引入
• 2.4.3 TRANK中使用的DFT程序SIESTA
• 2.4.4 TRANK程序流程
• 2.5 结合第一原理与经验原子势的多尺度方法
• 2.5.1 多尺度方法
• 2.5.2 经验原子间相互作用势方法
• 第3章 气体吸附对碳纳米管场发射性质的影响
• 3.1 本章引论
• 3.2 模型及理论方法
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 计算结果及讨论
• 3.3.1 气体分子在碳管上的吸附
• 3.3.2 甲基和羟基在碳管上的吸附
• 3.4 结论
• 第4章 碳管拉伸的第一原理模拟及输运性质计算
• 4.1 本章引论
• 4.2 模型及理论方法
• 4.2.1 第一原理计算
• 4.2.2 输运性质计算
• 4.3 计算结果和讨论
• 4.3.1 不同应变下的几何结构
• 4.3.2 CNT-DV体系输运性质计算
• 4.3.3 CNT-DV体系的临界应变
• 4.3.4 倾斜双空位体系的结构和透射函数
• 4.4 相关的计算测试
• 4.5 结论
• 第5章 碳管拉伸的多尺度模拟
• 5.1 本章引论
• 5.2 模型及理论方法
• 5.2.1 杂化的多尺度方法
• 5.2.2 输运性质计算
• 5.3 计算结果和讨论
• 5.3.1 使用多尺度方法弛豫几何结构
• 5.3.2 中间区域的电子结构
• 5.3.3 中心区的输运性质
• 5.3.4 与上一章中VASP计算结果的对比
• 5.4 结论
• 第6章 碳管双空位体系吸附氧气的第一原理模拟及输运性质计算
• 6.1 本章引论
• 6.2 模型及理论方法
• 6.2.1 第一原理结构弛豫
• 6.2.2 输运性质计算
• 6.3 计算结果和讨论
• 6.3.1 氧气在双空位处的物理吸附
• 6.3.2 氧气在双空位处的化学吸附
• 6.3.3 氧原子在碳管双空位处的化学吸附
• 6.4 相关的计算测试
• 6.4.1 不同偏压下电导的测试
• 6.4.2 VASP与SIESTA计算的局域态密度的对比测试
• 6.4.3 物理吸附中不同吸附距离的测试
• 6.5 结论
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果