B（N）掺杂单壁碳纳米管吸附性能第一性原理研究

论文摘要

随着碳纳米管(CNTs)增强金属基复合材料(MMCs)研究的深入,利用掺杂、涂敷、电镀等方法对CNTs进行改性以改善复合材料界面的研究备受瞩目。在本论文中,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂硼(B)、氮(N)和硼氮(B,N)共掺杂对单壁开口的扶手椅型和锯齿型两种碳纳米管(CNTs)对金属镁(Mg)、铝(Al)的单原子和原子链的吸附的影响,分析了吸附位置、结合能、电子结构。此外把石墨烯片近似的看为大直径CNTs的外壁,模拟了其金属原子吸附和掺杂B(N)的效应。计算结果表明金属Mg原子在CNTs外壁表现为极弱吸附,结合能几乎为零;金属Al与CNTs之间有一定的结合能,但仍属于弱的化学吸附,这对CNTs增强轻金属Mg、Al复合材料不利。掺B、N后,与未掺杂单壁CNTs的金属原子吸附相比,CNTs的电子结构发生改变,其中掺B形成电子缺乏区,掺N形成电子聚集区。吸附体系中在Fermi能级附近的一部分电子由金属Mg,Al的外层电子所提供,金属与有缺陷的CNTs发生了突出的化学结合,掺杂提高了CNTs与金属的分波态密度在价带和导带上轨道杂化重合,尤其是掺B显著提高金属Mg、Al原子及其原子链的结合,掺N对提高金属原子的吸附结合也有一定作用,但在某些情况致使金属的吸附能下降。金属在未掺杂和掺杂石墨烯上的吸附比在相应的小直径CNTs上的吸附更弱。此外,硼氮共掺未能显著提高金属原子在CNTs外壁的吸附。理论计算表明掺杂有望改善CNTs和金属Mg、Al基体的界面结合,对CNTs增强金属基材料的设计有指导作用,但以上模型只是初步研究和解释了金属原子及其原子链与CNTs结合的情况,需要对更真实的界面结合模型进行进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）/金属复合材料
• 1.1.1 CNTs简介
• 1.1.2 CNTs/金属复合材料
• 1.1.3 CNTs/金属复合材料的界面问题
• 1.2 CNTs/金属相互作用的计算模拟
• 1.2.1 计算模拟方法
• 1.2.2 基于DFT的第一性原理模拟
• 1.2.3 CNTs与金属原子相互作用的计算模拟研究现状
• 1.3 CNTs修饰改性与掺杂
• 1.4 本论文研究内容及意义
• 第二章 计算方法
• 2.1 CASTEP简介
• 2.2 模拟模型与参数设定
• 2.3 结果数据分析
• 第三章 B（N）掺杂对石墨烯表面金属Mg（Al）单原子吸附的影响
• 3.1 石墨烯金属原子吸附的模型
• 3.2 掺B（N）对石墨烯金属吸附的几何结构和结合能的影响
• 3.3 掺B（N）的石墨烯金属吸附的电荷差分密度分析
• 3.4 掺B（N）的石墨烯金属吸附的能带结构和态密度分析
• 3.5 掺B（N）的石墨烯金属吸附的布居数和电荷转移数分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 B（N）掺杂对CNTs外壁金属Mg（Al）单原子以及原子链的吸附的影响
• 4.1 未掺杂与掺杂B（N）的（5，5）和（8，0）CNTs的Al（Mg）原子吸附的模型和结合能
• 4.2 掺B（N）对CNTs的金属Al（Mg）吸附的影响
• 4.2.1 B（N）掺杂对CNTs几何优化结构的影响
• 4.2.2 掺B（N）后CNTs的金属原子吸附结构的几何优化
• 4.2.3 掺B（N）后CNTs的金属吸附结合能的分析
• 4.3 掺B（N）的CNTs外壁金属Mg（Al）单原子吸附的电子结构
• 4.3.1 掺杂前后CNTs的电荷差分密度
• 4.3.2 掺B（N）前后的CNTs吸附金属原子体系的能带结构分析
• 4.3.3 掺B（N）前后的CNTs吸附金属原子体系的电子差分密度分析
• 4.3.4 掺B（N）前后的CNTs吸附金属原子体系的电荷布居数分析
• 4.4 掺B（N）对CNTs外壁金属Mg（Al）原子链吸附的影响
• 4.4.1 CNTs外壁金属原子链的几何结构
• 4.4.2 掺B（N）前后的CNTs金属原子链吸附体系的电子结构分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 硼氮共掺杂对CNTs外壁金属Mg（Al）单原子吸附的影响
• 5.1 B和N共掺杂的CNTs几何优化
• 5.2 B和N共掺杂对CNTs的金属单原子吸附体系的电子结构影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢