论文摘要
本文主要研究快速运动的离子与碳纳米管相互作用的机理,建立了一个半经典的动力学理论模型模拟了锯齿型zigzag和扶手椅型armchair单壁碳纳管的电激发过程,单个质子在碳纳米管中运动的动力学极化作用以及质子在锯齿型zigzag单壁碳纳米管中的运动轨迹。考虑到了碳纳米管实际的能带结构,对于锯齿型zigzag碳纳米管及扶手椅型armchair碳纳米管,可以分别得到介电函数及能量损失函数的解析表达式。同时利用动力学模型计算了由于质子的入射扰动,碳纳米管表面电子的感应电荷密度、感应电势以及质子的自能及阻止本领的情况。另外,我们采用Thomas-Fermi-Moliere的连续势模型描述碳纳米管壁上的碳原子对运动质子的排斥作用,通过求解经典牛顿力学方程,计算了质子在锯齿型zigzag碳纳米管中的运动轨迹,进而可以得到质子各个时刻的运动速度及位置。通过计算可以发现:碳纳米管的介电函数及能量损失函数不仅与阻尼系数γ、波数κ、角动量m的取值有着密切的关系同时与碳纳米管的半径及手性角也有一定的关系。对于质子沿碳纳米管轴线入射的情况,感应电荷密度及感应电势模拟结果显示入射离子的速度存在一个临界值。当入射离子速度小于临界值时,感应电荷密度的曲线形状类似于一个倒扣的钟形;大于临界值时,感应电荷密度呈现出类似尾流效应的振荡。并且我们发现感应电荷密度在低速和高速的情况呈现了两种不同的变化趋势。通过对自能及阻止本领的计算可以发现随着阻尼系数γ的增加,不仅自能及阻止本领的峰值降低而且峰值的位置也向低速的方向移动。这就说明了当管壁原子正电荷与价电子之间的摩擦力较大时,共振激发的模式向低速方向扩展。另外考虑在较小的入射角,入射位置不是很靠近碳纳米管壁的情况,对质子运动轨迹的研究可以发现由于考虑到了管壁电子气的动力学极化作用,入射质子将在偏离碳纳米管轴线的位置作周期振荡向前运动。