碳纳米管异型结构以及生长机理的理论研究

论文摘要

因其独特的电子传输、机械、气体吸附等性质,碳纳米管已在多种领域得到广泛的应用。通过介入五元、七元或者八元等非六边形环连接而成的Y、T、X、I或者L型碳纳米管异质结,可用于制造二极管和晶体管等电子器件,也已经在纳米功能材料和纳米电子领域显示出良好的应用前景,引起物理、化学及材料等学科界的极大兴趣。但由于碳纳米管及异质结的纳米级结构,限于目前实验方法和实验条件的不足,碳纳米管以及碳纳米管异质结的合成控制和性质研究仍存在许多未知问题。而理论研究,可以在原子水平上直观有效地模拟碳纳米管的结构、性质和形成过程,对实验现象进行合理的解释,并为相关的机理研究提供研究手段和理论依据。本论文应用Dmol3、Gaussian 03程序包中的密度泛函理论,以及紧束缚势能函数以及Brenner势能函数对碳纳米管生长过程、碳纳米管异质结的性质进行了研究,主要内容包括:1.综述了碳纳米管的结构、性质和生长机理,异型碳纳米管的合成方法,结构和稳定性的关系,电学、力学、热学、光学性质以及相关的分子模拟方法在异型碳纳米管研究中的应用进展,并简要介绍了其在电子器件,储氢材料以及其它功能复合材料方面的应用。最后,讨论了目前研究中存在的问题并展望了该领域今后的发展趋势。2.构建了具有不同缺陷排列的X,T和Y型碳纳米管异质结,采用经验势能函数,讨论了最为稳定的缺陷排列方式并得出了异质结稳定性同管径大小的关系。结果表明,碳纳米管分支的直径、螺旋型和缺陷排列都是影响异型碳纳米管稳定型的重要因素,最稳定的Y,T和X型碳纳米管分别包括6,6和12个七元环。锯齿型异质结的稳定性高于扶手椅型,异质结原子的平均能量和管径存在一定的函数关系。3.采用密度泛函理论B3LYP方法结合6-31G（d）基组,优化了两组弯曲型和直型碳纳米管异质结（3,3）-（6,0）和（4,4）-（8,0）,并在此基础上比较了这两种典型异质结的几何特性、稳定性、电荷分布及电子结构的不同。结果表明,弯曲型异质结的稳定性要高于直型异质结,而且弯曲型和直型异质结的前线轨道具有明显不同的分布,HOMO和LUMO轨道能级差也具有很大的不同。为得到反铁磁性的自旋极化基态,同时采用自旋非限制性方法进行计算,结果表明直型（4,4）-（8,0）存在反铁磁性的自旋极化基态,自旋极化发生在锯齿型分支和缺陷环,并引起了电子结构的极大变化。另外,采用密度泛函理论GGA近似方法结合PW91函数,基于周期性边界条件的能带结构的计算结果表明弯曲型异质结的能带宽大于直型异质结的能带宽,说明直型异质结的导电性有强于弯曲型异质结的趋势。4.运用密度泛函理论的GGA/PW91方法对有限长Y型碳纳米管的结构和性质进行了研究。结果表明,由于缺陷环的影响,Y型碳纳米管具有与直型管明显不同的性质。而且,Y型碳纳米管结构和性质同分支管长度有一定的关系。当分支管长度大于10（?）时,Y型碳纳米管的结构,能隙和电学性质均出现了周期性振荡变化的趋势。5.采用密度泛函理论研究了金属催化剂颗粒存在下的碳纳米管生长过程中吸附于管壁的碳原子如何迁移到碳纳米管靠近金属颗粒表面的底部,转化为碳纳米管完整格点的过程。所有的吸附原子均能同已经生成的碳纳米管壁结合成强的共价键,说明碳纳米管吸附原子的转移是碳纳米管生长的重要因素。通过分析碳原子吸附在各个位点的能量,得到最为稳定的吸附点在碳纳米管和催化剂的连接处。由于催化剂的存在,吸附原子的迁移呈现高度的各向异性。尽管Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn都可以用作化学气相沉积生产碳纳米管的催化剂,但是Co、Ni和Zn不仅使碳纳米管生长速率加快,而且生成的碳纳米管结构较完美,缺陷少,更适合于作催化剂。这个结果是碳纳米管根部增长机理的有益补充。以Co为催化剂,计算了持续添加碳原子,碳纳米管可能的生长路径。最后,讨论了催化剂在碳纳米管生长过程中的作用,主要表现在改变已经生成的碳纳米管壁的电荷分布,从而有利于碳原子的吸附、迁移最终生成完美的结构。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 第一节 引言
• 第二节 碳纳米管结构、性质和生长机理
• 1.2.1 碳纳米管结构
• 1.2.2 碳纳米管的性质
• 1.2.3 碳纳米管的应用
• 1.2.4 碳纳米管生长机理
• 第三节 异型碳纳米管
• 1.3.1 异型管制备的研究进展
• 1.3.2 异型管的理论研究现状
• 1.3.3 异型管的性质
• 1.3.4 异型管的应用前景
• 第四节 本论文选题
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管异质结的结构和稳定性
• 第一节 引言
• 第二节 碳纳米管异质结的构建和优化
• 2.2.1 碳纳米管异质结的构建和碳纳米管长度的选择
• 2.2.2 原理和方法
• 第三节 结果和讨论
• 2.3.1 Y型碳纳米管
• 2.3.2 T型碳纳米管
• 2.3.3 X型碳纳米管
• 第四节 结论
• 参考文献
• 第三章 弯曲型和直型碳纳米管异质结结构和性质比较
• 第一节 引言
• 第二节 理论和方法
• 第三节 结果和讨论
• 3.3.1 稳定性
• 3.3.2 几何结构
• 3.3.3 前线轨道分布
• 3.3.4 自旋极化
• 3.3.5 电子能带结构
• 第四节 结论
• 参考文献
• 第四章 有限长Y-型碳纳米管结构和性质的第一性原理研究
• 第一节 引言
• 第二节 计算模型和方法
• 第三节 结果与讨论
• 4.3.1 结构优化
• 4.3.2 前线分子轨道
• 4.3.3 态密度和电学性质
• 第四节 结论
• 参考文献
• 第五章 碳原子在碳纳米管表面吸附和迁移过程研究
• 第一节 引言
• 第二节 理论和方法
• 第三节 结果和讨论
• 5.3.1 催化剂粒子和碳纳米管之间的结合能
• 5.3.2 碳原子结合碳纳米管壁的不同位置的吸附能量比较
• 5.3.3 第二个碳原子在碳纳米管壁的吸附
• 5.3.4 第六个碳原子在碳纳米管壁的吸附
• 5.3.5 催化剂的作用
• 第四节 结论
• 参考文献
• 个人简历及科研成果
• 致谢