金属Rh在碳纳米管上吸附的密度泛函研究

论文摘要

自从Iijima发现了碳纳米管（CNTs）以来,由于独特的物理化学特性及其在分子器件和纳米器件上的诱人前景,引发了碳纳米管研究的热潮。在碳纳米管的众多研究领域中,掺杂或吸附金属原子是合成功能化碳纳米管材料和碳纳米管改性的重要途径之一。密度泛函理论能够计算金属在碳纳米管上吸附的热力学及静态动力学信息,为实验研究金属在碳纳米管上吸附及其电子性质提供重要理论参考。本论文系统地研究了曲率、卷曲方式对金属Rh原子在单壁碳纳米管上吸附结构及电子性质的影响以及Rh原子在双壁管上吸附行为的研究。利用密度泛函理论系统地研究了Rh原子在单壁碳纳米管内外的吸附行为,考查了曲率效应对金属Rh在（n,0）锯齿型单壁碳纳米管上的吸附行为。结果表明：由于石墨烯的卷曲效应使得管外电子云密度较管内高,导致Rh原子在管外吸附比管内稳定；曲率对吸附能的影响较大,随着管径增加,曲率下降,Rh在管外吸附能降低,管内吸附能增加,当管径超过13.6 A时,管内外吸附构型与吸附能基本一致；吸附能计算结果表明,在管径相近的情况下,碳纳米管的卷起方式对Rh原子的吸附能影响较小；电子结构分析表明吸附原子和碳纳米管间的强相互作用导致电荷重新分布,Rh原子的电子部分转移到碳管上,使碳管带负电,而Rh原子带正电。碳管曲率与卷曲方式是同时存在并影响金属原子在碳管内外吸附行为的重要因素,单独研究卷曲方式对金属吸附行为的影响较困难。本章选取曲率相近、卷曲方式不同的扶手椅型（6,6）、锯齿型（10,0）与手性（8,4）单壁碳纳米管,利用密度泛函理论系统研究了Rh原子在管内外的吸附行为。构型优化表明,由于碳管卷曲方式不同,导致Rh在（6,6）、（10,0）与（8,4）管内外吸附的稳定构型不同；不同卷曲方式使碳管与Rh相互作用的碳原子不同,导致Rh在不同管型内外吸附能的差异。电荷密度分析表明,管外的电荷密度大于管内,不同卷曲方式碳管电荷密度变化不同。差分电荷密度显示卷曲方式不同导致Rh与碳原子相互作用时轨道取向不同,得失电子情况略有差异。能带结构分析表明,Rh吸附后的碳管在费米能级附近出现掺杂能带。吸附后的（6,6）管仍呈金属性；当Rh在（10,0）管内吸附时,碳管由半导体转变为金属管,而在管外吸附时,碳管带隙降低；吸附Rh的（8,4）管带隙降低。利用密度泛函理论系统地研究了Rh原子在（n,0）@（n+9,0）（n=7-15）双壁碳纳米管上的吸附行为。构型优化表明,Rh原子吸附在管内时的稳定位置为H1位,而在管外吸附时稳定位置为H1和H2位。吸附能研究表明,管外的吸附能大于管内,管内的吸附能随着管径的增加振荡减小,而管外的吸附能则不断增加。Rh在双壁管内外的吸附能与Rh在相应的单壁管上的吸附能比较表明,双壁管管内的吸附能比单独的单壁管的吸附能要高,而双壁管管外的吸附能则比单壁碳管要低,且这两种差距随着管径的增加不断地减小。能带分析表明,双壁管的能隙比单壁管的能隙小。Bader电荷分析与电荷密度图表明,管内转移的电荷大于管外转移的电荷,管内的Bader电荷随着管径的增加不断的减小,由0.7107减少到0.3813；管外的Bader电荷随着管径的增加,变化很小,接近0.3046（石墨）。这可能是由于内管的管径比较小,受卷曲效应的影响比较大,而外管的管径都大于14A受卷效应的影响比较小所致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 文献综述和选题背景
• 1.1 研究背景
• 1.2 单壁碳纳米管的研究进展
• 1.3 双壁碳纳米管的研究进展
• 1.4 选题依据和研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 研究方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 发展历程
• 2.1.2.1 Thomas-Fermi模型
• 2.1.2.2 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.2.3 Kohn-Sham方程
• 2.1.2.4 交换关联能泛函
• 2.2 软件简介
• 2.2.1 Materials Studio
• 2.2.2 VASP
• 2.3 计算方法和参数设置
• 第3章 曲率对Rh在锯齿型单壁碳纳米管内外吸附影响的研究
• 3.1 计算方法和模型
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 曲率对吸附结构的影响
• 3.2.2 曲率对吸附能的影响
• 3.2.3 曲率对单壁碳纳米管电荷与几何结构的影响
• 3.2.4 管内外电荷差分密度图
• 3.2.5 曲率对吸附Rh的电荷与局域态密度的影响
• 3.3 结论
• 第4章 卷曲方式对Rh在单壁碳纳米管内外吸附的影响
• 4.1 计算模型
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 吸附构型和吸附能
• 4.2.2 电子结构
• 4.2.2.1 电荷密度（CD）
• 4.2.2.2 差分电荷密度（CDD）
• 4.2.2.3 能带
• 4.3 结论
• 第5章 金属Rh在双壁碳纳米管内外的吸附研究
• 5.1 计算方法和模型
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 吸附构型和吸附能
• 5.2.2 Bader电荷
• 5.3 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢