氧吸附于完整与缺陷碳化硅纳米管表面性质的研究

论文摘要

碳化硅纳米管（SiCNTs）是宽禁带的半导体材料,并且其带隙与手性的依存关系没有碳纳米管（CNTs）那么明显,表明SiCNTs具有稳定的性质,比CNTs更适合于在功能器件方面使用。由于SiCNTs具有热稳定性、化学惰性、高导热性和高反应活性的外（内）表面等性质,因而使其成为在恶劣环境中进行操作的备选纳米材料。此外,研究表明对SiCNTs进行适当的掺杂、取代及吸附,其功能和应用范围将得到极大的提高,并且众所周知,碳化硅纳米管的表面会因周围环境中氧的存在而氧化。因此,本文基于密度泛函理论的第一性原理对氧原子或氧分子吸附于完整和反位置Csi与Sic缺陷或Nc与Bc缺陷的（6,6）和（10,0）SiCNTs进行了详细的研究。得到的结论包括：（1）我们系统的研究了单个氧原子吸附于完整或反位置缺陷的（6,6）和（10,0）SiCNTs的结构和电子特性。研究结果显示：氧原子可放热或自发地吸附于完整的（6,6）和（10,0）SiCNTs的外表面,其对应的最稳定吸附位置分别位于垂直于管轴的Si-C键的桥位即B1和锯齿型Si-C键的桥位即B2。单个氧原子吸附于Csi或Sic缺陷的（6,6）和（10,0）SiCNTs也得到了类似的稳定构形,但位于吸附原子O下面的C-C或Si-Si键发生断裂。由结合能的判断可知：除Csi缺陷的（6,6）SiCNT的B1位置即Csi（6,6）B1外,Sic（6,6）B1, CSi（10,0）B2和Sic（10,0）B2都有助于氧原子的吸附。（2）我们系统的研究了氧分子吸附于完整和Nc或Bc缺陷的（10,0）或（6,6）的SiCNT的结构和电子特性。研究结果表明：不论是物理吸附还是化学吸附,氧分子吸附于完整管的首选位置都为与扶手椅型Si-C键近似平行的桥位。氧分子与管之间很强的化学相互作用不仅使氧分子的磁性消失而且使与氧分子相互作用的Si-C键明显向外弛豫。当将SiCNT中的C用N或B原子替代时,更有助于氧分子的吸附,其对应的最稳定吸附位置为与锯齿型Si-N或Si-B键近似平行的桥位,并且氧分子的吸附使高浓度杂质缺陷的SiCNT具有金属性或低浓度杂质缺陷的SiCNT具有磁性。因此,将N或B掺杂的SiCNT置于空气中可作为调整SiCNT电子特征的一种有效方法,即将其由半导体转变成金属。此外,由能量最小原理可以得到,在Nc和Bc缺陷的SiCNTs侧壁吸附的02将可被分离成一对间隙氧（Oi）2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米科技与纳米材料
• 1.2 氧吸附于碳化硅纳米管表面的研究背景
• 1.3 本文的研究任务
• 第2章 理论计算基础
• 2.1 绝热近似与Hartree-Fock近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 HK定理（Hohenberg-Kohn Theorem）
• 2.2.2 KS方程（Kohn-Sham方程）
• 2.2.3 局域密度近似（Local Density Approximation）
• 2.2.4 布洛赫定理
• 2.3 赝势
• 2.4 VASP介绍
• 第3章 氧原子吸附于完整与反位置缺陷碳化硅纳米管表面性质的研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 分析与讨论
• 3.4 小结
• 第4章 氧分子吸附于完整与缺陷碳化硅纳米管表面性质的研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 分析与讨论
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果