形变碳纳米管的结构及晶格振动特性研究

论文摘要

碳纳米管自从被发现以来,已经成为碳材料纳米技术和凝聚态物理研究的前沿和热点。晶格振动是研究碳纳米管宏观性质和微观结构的重要物理基础,当碳纳米管发生形变时,其晶格振动特性也随之改变。拉曼散射实验是表征碳纳米管结构和晶格振动特性的重要光谱方法。鉴于实验条件差异和样品组分不同常会导致拉曼实验现象不一致,本论文结合分子动力学方法和力常数模型,配以群论分析方法,对径向和轴向形变碳纳米管的声子振动谱及拉曼振动模式进行了系统的理论研究,探明了形变碳纳米管中拉曼振动模式的固有属性,澄清了拉曼实验现象的物理本质,获得了一系列有意义的结果。以下为本论文的主要研究结果:1.修正了力常数矩阵表达式,构建了常压力常数模型,在系统研究静水压力对拉曼活性呼吸模式作用规律的基础上,发现呼吸模式频率在某一临界压强处发生突变,此突变对应碳纳米管横截面由圆形转变为椭圆形,表明呼吸模式频率突变可以作为碳纳米管结构转变的标志。进一步研究不同管径、不同手性碳纳米管,发现呼吸模式突变的临界压强与管径呈立方反比关系,且不依赖于碳纳米管的手性,这一新发现的关系为判断实验样品中碳纳米管的直径和类型奠定了重要的科学基础。2.采用群论分析方法探明了临界压强之上呼吸模式的本质特征,由不同对称点群之间的相适关系证明形变碳纳米管的呼吸模式仍为拉曼活性,进一步研究发现呼吸模式的强度在临界压强处骤降,揭示了拉曼实验中较高压强下呼吸模式消失的本质原因。3.针对拉曼实验中存在的G带对压强变化的不一致性,研究了静水压力对拉曼活性伸缩模式的影响,发现伸缩模式频率在临界压强附近表现出反常压力行为,即频移率呈现大于零、等于零和小于零三种现象,揭示了静水压力对伸缩模式的作用规律,澄清了G带对压强变化的不一致性的本质原因。4.鉴于目前拉曼实验难于沿轴向压缩碳纳米管,研究了压缩应变对拉曼活性呼吸模式和伸缩模式的影响,发现呼吸模式频率在某一临界应变处骤降,这与碳纳米管的结构发生屈曲形变相对应,而且呼吸模式骤降的临界应变与管径呈反比关系,且依赖于碳纳米管的手性,预言了压缩形变碳纳米管中呼吸模式变化的新规律。进一步研究发现,轴向形变碳纳米管的三个伸缩模式呈现两类频移率,且与实验上观测的G+峰和G-峰对应,这有助于理解碳纳米管受非静水压力压缩时传输介质中引入的轴向应变效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.1.1 碳及其同素异形体
• 1.1.2 碳纳米管的发现
• 1.1.3 碳纳米管的结构特征
• 1.1.4 碳纳米管的主要性能及应用
• 1.2 碳纳米管的晶格振动及其拉曼光谱
• 1.2.1 碳纳米管的声子色散关系
• 1.2.2 碳纳米管的拉曼和红外活性振动模
• 1.2.3 碳纳米管呼吸模和碳碳伸缩模的拉曼光谱
• 1.3 碳纳米管形变及其晶格振动特性研究
• 1.3.1 应力诱导碳纳米管结构改变
• 1.3.2 形变碳纳米管的拉曼光谱表征
• 1.3.3 形变碳纳米管晶格振动的理论研究
• 1.4 本论文的研究内容及意义
• 第2章 理论模型构建
• 2.1 计算模型
• 2.1.1 碳纳米管的结构参数
• 2.1.2 碳纳米管的结构稳定性
• 2.1.3 初始结构
• 2.2 CNT 结构转变的分子动力学模拟
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 碳原子间相互作用势
• 2.2.3 压力控制方法
• 2.2.4 结构优化
• 2.2.5 参数设置
• 2.3 CNT 晶格振动的力常数模型计算
• 2.3.1 晶格动力学理论
• 2.3.2 力常数模型方法
• 2.3.3 常压力常数模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 应力诱导碳纳米管结构转变
• 3.1 引言
• 3.2 静水压力诱导碳纳米管径向形变
• 3.2.1 体积及总能量的压强依赖关系
• 3.2.2 临界压强的管径依赖关系
• 3.2.3 横截面形状由圆形到椭圆形转变
• 3.3 应力诱导碳纳米管轴向形变
• 3.3.1 体积及总能量的应变依赖关系
• 3.3.2 轴压屈曲形变
• 3.3.3 泊松比及杨氏模量
• 3.4 本章小结
• 第4章 径向形变碳纳米管的晶格振动特性研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 静水压力作用下CNT 的拉曼光谱研究
• 4.1.2 径向形变CNT 晶格振动的理论研究
• 4.1.3 本章主要研究内容及意义
• 4.2 径向形变碳纳米管的声子谱特征
• 4.2.1 声子色散关系及振动态密度
• 4.2.2 晶格振动模的对称性分类
• 4.3 静水压力诱导碳纳米管呼吸模式突变
• 4.3.1 呼吸模式频率突变
• 4.3.2 与实验结果对比
• 4.3.3 形变模式是否仍为拉曼活性？
• 4.3.4 呼吸模式临界压强的管径依赖关系
• 4.4 切向伸缩模式的反常压力行为
• 4.4.1 伸缩模式的振动位移图及其振幅变化
• 4.4.2 伸缩模式频率随压强变化的不一致性
• 4.4.3 与实验结果对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 轴向形变碳纳米管的晶格振动特性研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 AFM 探针操纵CNT 形变的拉曼光谱研究
• 5.1.2 轴向形变CNT 晶格振动的理论研究
• 5.1.3 本章主要研究内容及意义
• 5.2 轴向形变碳纳米管的声子谱特征
• 5.2.1 声子色散关系及振动态密度
• 5.2.2 晶格振动模的对称性分类
• 5.3 应力诱导呼吸模式频移
• 5.3.1 呼吸模式频率骤降
• 5.3.2 与实验结果对比
• 5.3.3 呼吸模式临界应变的管径依赖关系
• 5.4 应力诱导伸缩模式频移
• 5.4.1 伸缩模式的不同应变响应
• 5.4.2 与实验结果对比
• 5.4.3 伸缩模式频移的机理分析
• 5.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢