锯齿型碳纳米管的结构衍生及电子特性的密度泛函研究

发布时间：2020-07-09 11:00

【摘要】：众所周知,碳纳米管(CNTs)自发现以来一直受到强烈的关注,由于微型计算机和碳基电子等应用技术的迅猛发展,需要CNTs在更多领域发挥其独特物理化学特性。然而,因为CNTs的生长机理具有不确定性,所以目前还不能实现CNTs的结构可控、大批量制备。通过选取特定结构的碳纳米团簇来构造特定CNTs的核,并使用密度泛函理论(DFT),研究核的几何结构、从核到CNTs的结构衍生过程以及其电子特性。这可以为实现CNTs结构均一、可控的批量制备提供有意参考。文本详实的研究了锯齿型单、双壁CNTs的结构衍生与电子特性。考虑到,从碳纳米团簇到CNTs结构衍生的可能性,定义某一笼状团簇为相应锯齿型单壁CNTs的核。我们在核的某一端堆砌碳原子,使用Gaussian03对其结构进行优化,结果表明核结构可衍生为管状团簇。通过研究不同长度管状团簇的几何结构,发现在团簇较短时,管状团簇通过全局重构的方式逐层生长;团簇较长时,其通过局部重构方式逐层生长。进一步研究不同长度的管状团簇与相应CNTs的平均结合能Eb,发现管状团簇的Eb随长度的增加逐渐趋于稳定,并且与相应CNTs的Eb接近;同时通过碳团簇相关热力学量的研究,发现碳团簇的几何结构在与其相关的热力学性质上是比较稳定的。最后对电子特性进行研究,表明锯齿型CNTs的能带结构与手性指数n密切相关。即对(n,0)型单壁碳纳米管(SWCNTs)和(n,0)@(2n,0)型双壁碳纳米管(DWCNTs),当n=3q(q为整数)时,CNTs具有金属性,或表现出窄带隙半导体性质;当n≠3q时,CNTs表现出明显的半导体性质,且随管径的增大,带隙逐渐减小。值得注意的是,对于(n,0)@(2n,0)锯齿型DWCNTs,当两个金属性的SWCNTs嵌套时,能够得到金属性的DWCNTs;而两个半导体属性的SWCNTs嵌套,则可以得到半导体属性的DWCNTs。特别的,管径较小的CNTs,其电子特性由于曲率效应的影响,会受到明显的影响。如:n≠3q时,(4,0)、(4,0)@(8,0)和(5,0)@(10,0)呈现金属性;n=3q的(6,0)@(12,0)则表现出明显的半导体属性。
【学位授予单位】：新疆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O469
【图文】：

手性,锯齿型,扶手,矢量方向

如图 2-1 所示，图中 T 表示管轴，和是空间中石墨烯的单位矢量记为 n, m 。手性矢量可以表示为：h1 2C na ma在该等式中，a= 0.246 nm 是单位矢量或的大小。手性角的余弦公式，则可以表示为：12 212cos2hhC a n mC an m nm 依据手性矢量的不同，SWCNTs 可以分为三类：扶手型碳(Armchair nanotubes)、锯齿型碳纳米管(Zigzag nanotubes)和手性碳纳米carbon nanotubes)。CNTs 的电学性能和螺旋度等物理指标与其手性指数接相关，习惯上要求n m。当n m，为扶手型 CNTs，其手性角 n＞ m 0时，得到锯齿型 CNTs，手性角 0；当n＞ m 0时，将其称CNTs， 0 30。

锯齿型,核结构,笼状,团簇

在本文中，锯齿型单、双壁管状团簇分别用 p ,k 和 p, k 1 @ 2 p, k 表表示沿轴向的六边形数量即层数(确定长度)，p 表示每层所包含的六边形个定管径)。相应的锯齿型 SWCNTs 和双壁 CNTs（DWCNTs）分别表示为 n n, 0 @ 2 n, 0 ，其中n p。An W[134]、Jensen F[135-136]等人研究了 C24团簇的笼状、环状和层状构型其研究结果发现，C24笼状团簇具有较高的稳定性；Wu H S[135]、Galli G人研究了 4 种 C24笼状团簇的异构体，结果表明由 12 个五边形和 2 个六边成的具有 D6对称性的 C24笼状团簇具有最高的稳定性；另外，Chen Z[139指出由 12 个五边形组成的笼状团簇 C20有稳定的能量与结构；Lu X[140]，Ji141]等人给出小富勒烯 60 C中具有较高稳定性的相应笼状团簇。根据上述研究结论，本文选取由 2p 个五边形和 2 个 p 边形组成的笼状团为锯齿型 SWCNTs 的核。其中(6, 0)的核(见图 4-1)正是 C24笼状团簇中由五边形和 2 个六边形组成的具有 D6d对称性的笼状团簇；而(5, 0)的核正是2 个五边形组成的具有 Ih 对称性的笼状团簇 C20。

电子密度分布,衍生过程,锯齿型,密立根

4 锯齿型碳纳米管的结构衍生及碳团簇[6, 2]和[12, 1]，分别去处团簇两头的两个六边形和两个十二口相接，每一端分别用 12 个五边形连接，由此得到(6, 0)@(1Ts 的核。与讨论Ts 的结构衍生 4-2(a)展示了锯齿型单壁管状团簇 8 , k k 0,1,...,5 ，(b)展示了状团簇 6, k 1 @ 1 2, k k 1,2,...,6 的衍生过程和相应CNTs。这他不同管径 p 的 CNTs 结构衍生过程。t charge gained Most charge

【参考文献】