掺杂和结构效应对碳纳米管物性影响的第一原理研究

论文摘要

碳纳米管作为一种重要的低维纳米材料,具有独特的电子性质,在纳米技术中具有广阔的应用前景。本文基于第一原理密度泛函理论,研究了掺杂和结构效应对碳纳米管性质的影响。我们研究了过渡金属Ti和Zr掺杂在开口碳纳米管端口的稳定结构和电子性质,发现Ti(Zr)原子能够饱和碳纳米管端口的悬挂键,形成封闭结构。Zr原子和开口碳纳米管的相互作用更强。通过对碳纳米管掺杂Ti(Zr)原子,能够有效地提升体系的费米能级,降低体系的功函数,费米能级附近的态密度有显著的提高,可以有效地提高体系的场发射性能。我们也研究了单个Ti原子在单壁碳化硅纳米管外壁的吸附性质以及相应的氢分子吸附性质,给出了Ti原子在单壁碳化硅纳米管外壁不同的稳定位置。C原子和Ti原子之间形成了很强的化学键,而Si原子和Ti原子之间的相互作用则比较弱。在Ti原子附近,最多有四个氢分子可以被吸附,所有的氢分子都处于分子结合态的形式。我们还研究了半导体碳纳米管在Ti表面的稳定性和电子结构性质。放置于Ti表面的碳纳米管在稳定位置会发生明显的横截面形变,C和Ti之间形成较强的化学键。体系的态密度投影到半导体碳纳米管上,纳米管的能隙消失,电子在金属和碳纳米管之间转移的过程中不存在静电势垒。半导体碳纳米管在金属Al表面处于稳定位置时,C和Al之间不成键,碳纳米管仍为半导体性质。这些结果解释了实验上发现的半导体碳管和Ti、Al电极所形成的接触的性质差异。我们还研究了实验上最近发现的一种新的纳米材料——不完整的富勒烯和有缺陷的碳纳米管通过共价键的方式结合成新的“纳米芽”结构。对于锯齿型单壁碳纳米管,无论它为半导体性还是金属性,结合富勒烯形成纳米芽结构之后,费米面附近将出现带隙,纳米芽变成半导体性质;在费米面附近的带隙中,会有局域态出现。对于扶手椅型的单壁碳纳米管,对应的纳米芽结构仍然保持金属性,费米面附近没有明显的带隙存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 碳纳米管的结构和性质
• 1.1.1 实验制备
• 1.1.2 几何结构
• 1.1.3 电子性质
• 1.2 碳纳米管外壁吸附
• 1.2.1 金属原子吸附概述
• 1.2.2 过渡金属元素的吸附
• 1.2.3 碱金属元素的吸附
• 1.2.4 碳纳米管的储氢作用
• 1.2.5 非金属元素氧、氟的掺杂
• 1.3 碳纳米管的内部填充
• 1.4 其他纳米管结构
• 1.4.1 硼氮纳米管
• 1.4.2 碳化硅纳米管
• 1.4.3 硅纳米管
• 1.4.4 纳米管结状结构
• 1.5 研究目标与研究内容
• 1.5.1 论文研究目标
• 1.5.2 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 多粒子系统的薛定谔方程
• 2.1.2 绝热近似
• 2.1.3 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.4 Kohn-Sham 方程
• 2.1.5 交换关联近似
• 2.1.6 体系总能与结合能
• 2.2 第一原理赝势平面波方法
• 2.2.1 固体能带计算
• 2.2.2 赝势
• 2.2.3 模守恒赝势
• 2.3 DMol 方法
• 2.3.1 自洽场求解
• 2.3.2 数值基组
• 2.3.3 结构优化
• 2.3.4 Mulliken 占据数分析
• 2.3.5 态密度
• 第3章 过渡金属在开口碳纳米管尖端的性质
• 3.1 本章引论
• 3.2 计算方法和模型
• 3.2.1 建立模型
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 几何结构和稳定性
• 3.3.1 稳定几何结构
• 3.3.2 结构稳定性
• 3.4 电子结构性质
• 3.4.1 态密度
• 3.4.2 HOMO 和LUMO
• 3.4.3 差分电荷密度
• 3.4.4 场发射性质
• 3.5 本章小结
• 第4章 过渡金属在碳化硅纳米管外壁及其氢吸附性质
• 4.1 本章引论
• 4.2 理论方法和模型
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 建立模型
• 4.3 单个 Ti 原子位于碳化硅纳米管外壁
• 4.3.1 稳定位置
• 4.3.2 成键特性
• 4.3.3 管径大小的影响
• 4.4 掺杂体系的氢分子吸附性质
• 4.4.1 氢分子在钛原子附近的稳定构型
• 4.4.2 态密度
• 4.5 本章小结
• 第5章 半导体碳纳米管在金属电极表面的性质
• 5.1 本章引论
• 5.2 计算模型与方法
• 5.2.1 建立模型
• 5.2.2 计算方法
• 5.3 半导体碳纳米管在金属钛表面
• 5.3.1 稳定结构
• 5.3.2 静电势分布
• 5.3.3 态密度
• 5.3.4 管径和电子结构的影响
• 5.4 半导体碳纳米管在金属铝表面
• 5.4.1 稳定结构
• 5.4.2 静电势分布
• 5.4.3 态密度
• 5.5 本章小结
• 第6章 碳纳米管和富勒烯形成的纳米芽结构
• 6.1 本章引论
• 6.2 计算模型与方法
• 6.2.1 建立模型
• 6.2.2 计算方法
• 6.3 纳米芽的几何结构和稳定性
• 6.4 纳米芽的电子性质
• 6.4.1 金属性锯齿型碳纳米管对应的纳米芽
• 6.4.2 半导体性锯齿型碳纳米管对应的纳米芽
• 6.4.3 带隙中的局域态
• 6.4.4 扶手椅型碳纳米管对应的纳米芽
• 6.4.5 纳米芽体系的场发射性质
• 6.5 本章小结
• 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