两类碳纳米材料组装结构的计算设计及物性研究
发布时间：2021-11-11 13:37
碳元素化学键的多样性（sp1,sp2,sp3）使其可以形成丰富的异构相,丰富异构相所具备的丰富的性质使得碳材料在生活中得到了非常广泛的应用。因此有关碳的研究一直是凝聚态和材料物理领域的热点话题。同时随着计算物理的不断发展,理论预测指导实验合成的手段成为当前材料科学的有效研究途径。本文基于密度泛函理论（Density functional theory,DFT）的第一性原理计算方法,通过自下而上的组装方式构建了两种新奇碳异构相,并就其稳定性、力学性质和电学性质等开展了系统研究。以C16笼状团簇为组装基元,设计出一种新型的三维低密度碳的异构相（T-C56）。计算结果表明T-C56在能量、动力学、热力学和力学方面均表现出良好的稳定性,而且比实验合成的T-carbon和C20-sc碳相稳定。值得注意的是,T-C56虽为低密度碳相（2.72 g/cm3）,却表现出超硬特性,维氏硬度达48.71 GPa。杨氏模量和理想强度的计算结果表明T-C56具有力学各向异性的特点。此外,通过电学性质和光学性质的计算分析,我们发现T-C56是带隙为3.18 eV（HSE06）的透明间接带隙半导体。作为一种独特的...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）金刚石（ｂ）石墨（ｃ）?Ｃ６〇?（ｄ）碳纳米管的结构图??
内蒙古大学硕士学位论文??片段卷曲而成的碳相。除图１．１?（Ｃ）所示的典型的富勒烯成员Ｃ６Ｑ，还有常见的Ｃ７Ｇ富勒烯，??以及小半径的ｃ２Ｇ、ｃ２４、ｃ３６和大半径的Ｃ２４Ｑ、Ｃ５４Ｇ等。随着物理化学性质的不断深入研宄，??人们发现富勒烯在医学方面存在潜在应用。碳纳米管（又称巴克管）［４］由ｓｐ２杂化键形成，具??有比金刚石中ｓｐ３键更强的键合能。因此，碳纳米管的机械、电子、光学等许多性质表现优异，??如较髙的强度、独特的电气性能和较高的热导性。??暴＊漏??图１．２?（ａ）石墨烯，（ｂ）石墨丁炔和（ｃ）无定形碳的结构图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?ｇｒａｐｈｅｎｅ?（ｂ）?ｇｒａｐｈｄｉｙｎｅ?ａｎｄ?（ｃ）?ａｍｏｒｐｈｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ??石墨烯ｈ结构如图１．２?（ａ），作为近年来被广泛研宄和合成的碳同素异形体，是碳家??族学术圈中最热的碳相之一。２００４年首次从石墨中机械剥离获得石墨稀单层，Ａｎｄｒｅ?Ｇｅｉｍ和??Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ?Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ因此荣获２０１０年诺贝尔物理学奖。ｓｐ２杂化形成的石墨烯由于拥有线性??Ｄｉｒａｃ态而表现出优异的电输运特性。此外，由ｓｐ杂化和ｓｐ２杂化的碳原子构成的石墨炔［１５］，??因其表现出与石墨烯相似的电学性能而被认为是石墨烯未来微纳米电子学领域中的有力竞争??对手。其中石墨丁炔电学性质为半导体性，见图１．２?（ｂ）。??无定型碳［１６］，在碳基材料中占据了不可小觑的比重。因其非周期性的非结晶结构而统称??为无定型碳，包括煤、烟灰、木炭、活性炭、骨炭等。通常是通过热解生成的产物。不过，??随着技术手段的发展，能够制造出真正的无定性碳，如
的对称性，拓扑半金属的不变量定义是采用的包围交??叉点（线）的封闭流行上的波函数。本征拓扑半金属的能带交叉点（线）处，费米面通常会??收缩到这些节点（线）上，费米球体积将收缩为零，故此类系统被称为半金属。拓扑半金属??（ＴＳＭ）根据动量空间分配和节点简并度可分为三类：狄拉克半金属（ＤＳＭ：?Ｄｉｒａｃ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）、??外尔半金属（ＷＳＭ：?Ｗｅｙｌ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）和节点线半金属（ＮＬＳＭ：?Ｎｏｄａｌ－ｌｉｎｅ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ），具??体的能带结构和费米能级示意图如图１．３［３Ｑ］。??Ｅｒ＾－ＥＦＸ?Ｅｆ＞０＜??〇?ｏ?〇〇ｃｓ＞??Ｎｏｒｍａｌ?ｍｅｔａｌ?ＤＳＭ?ＷＳＭ?ＮＬＳＭ??图１．３普通金属与三类拓扑半金属（狄拉克半金属，外尔半金属和节点线半金属）费米能级处的能带结构??示意图（依次由左到右）??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｔ?ｔｈｅ?Ｆｅｒｍｉ?ｌｅｖｅｌ?ｏｆ?ｃｏｍｍｏｎ?ｍｅｔａｌｓ?ａｎｄ?ｔｈｒｅｅ?ｏｆ?ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ??ｓｅｍｍｉｍｅｔａｌｓ?（Ｄｉｒａｃ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ，?Ｗｅｙｌ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ?ａｎｄ?Ｎｏｄａｌ?ｌｉｎｅ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）?（ｆｒｏｍ?ｌｅｆｔ?ｔｏ?ｒｉｇｈｔ?ｉｎ?ｔｕｒｎ）??狄拉克半金属（ＤＳＭ）作为拓扑半金属中的一种，其三维动量空间中出现能带交叉点（能??带反转）的特殊能带结构不能通过微扰打开带隙，且十分稳定。狄拉克半金属能带中所包含??的狄拉克点受到时间反演对称性和晶体旋转轴对称性的保护，在时间反演对称和空间反演对??称系统中是十分稳定的拓扑电子结构
本文编号：3488952
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）金刚石（ｂ）石墨（ｃ）?Ｃ６〇?（ｄ）碳纳米管的结构图??
内蒙古大学硕士学位论文??片段卷曲而成的碳相。除图１．１?（Ｃ）所示的典型的富勒烯成员Ｃ６Ｑ，还有常见的Ｃ７Ｇ富勒烯，??以及小半径的ｃ２Ｇ、ｃ２４、ｃ３６和大半径的Ｃ２４Ｑ、Ｃ５４Ｇ等。随着物理化学性质的不断深入研宄，??人们发现富勒烯在医学方面存在潜在应用。碳纳米管（又称巴克管）［４］由ｓｐ２杂化键形成，具??有比金刚石中ｓｐ３键更强的键合能。因此，碳纳米管的机械、电子、光学等许多性质表现优异，??如较髙的强度、独特的电气性能和较高的热导性。??暴＊漏??图１．２?（ａ）石墨烯，（ｂ）石墨丁炔和（ｃ）无定形碳的结构图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?ｇｒａｐｈｅｎｅ?（ｂ）?ｇｒａｐｈｄｉｙｎｅ?ａｎｄ?（ｃ）?ａｍｏｒｐｈｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ??石墨烯ｈ结构如图１．２?（ａ），作为近年来被广泛研宄和合成的碳同素异形体，是碳家??族学术圈中最热的碳相之一。２００４年首次从石墨中机械剥离获得石墨稀单层，Ａｎｄｒｅ?Ｇｅｉｍ和??Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ?Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ因此荣获２０１０年诺贝尔物理学奖。ｓｐ２杂化形成的石墨烯由于拥有线性??Ｄｉｒａｃ态而表现出优异的电输运特性。此外，由ｓｐ杂化和ｓｐ２杂化的碳原子构成的石墨炔［１５］，??因其表现出与石墨烯相似的电学性能而被认为是石墨烯未来微纳米电子学领域中的有力竞争??对手。其中石墨丁炔电学性质为半导体性，见图１．２?（ｂ）。??无定型碳［１６］，在碳基材料中占据了不可小觑的比重。因其非周期性的非结晶结构而统称??为无定型碳，包括煤、烟灰、木炭、活性炭、骨炭等。通常是通过热解生成的产物。不过，??随着技术手段的发展，能够制造出真正的无定性碳，如
的对称性，拓扑半金属的不变量定义是采用的包围交??叉点（线）的封闭流行上的波函数。本征拓扑半金属的能带交叉点（线）处，费米面通常会??收缩到这些节点（线）上，费米球体积将收缩为零，故此类系统被称为半金属。拓扑半金属??（ＴＳＭ）根据动量空间分配和节点简并度可分为三类：狄拉克半金属（ＤＳＭ：?Ｄｉｒａｃ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）、??外尔半金属（ＷＳＭ：?Ｗｅｙｌ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）和节点线半金属（ＮＬＳＭ：?Ｎｏｄａｌ－ｌｉｎｅ?Ｓｅｍｉｍｅｔａｌ），具??体的能带结构和费米能级示意图如图１．３［３Ｑ］。??Ｅｒ＾－ＥＦＸ?Ｅｆ＞０＜??〇?ｏ?〇〇ｃｓ＞??Ｎｏｒｍａｌ?ｍｅｔａｌ?ＤＳＭ?ＷＳＭ?ＮＬＳＭ??图１．３普通金属与三类拓扑半金属（狄拉克半金属，外尔半金属和节点线半金属）费米能级处的能带结构??示意图（依次由左到右）??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｔ?ｔｈｅ?Ｆｅｒｍｉ?ｌｅｖｅｌ?ｏｆ?ｃｏｍｍｏｎ?ｍｅｔａｌｓ?ａｎｄ?ｔｈｒｅｅ?ｏｆ?ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ??ｓｅｍｍｉｍｅｔａｌｓ?（Ｄｉｒａｃ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ，?Ｗｅｙｌ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ?ａｎｄ?Ｎｏｄａｌ?ｌｉｎｅ?ｓｅｍｉｍｅｔａｌ）?（ｆｒｏｍ?ｌｅｆｔ?ｔｏ?ｒｉｇｈｔ?ｉｎ?ｔｕｒｎ）??狄拉克半金属（ＤＳＭ）作为拓扑半金属中的一种，其三维动量空间中出现能带交叉点（能??带反转）的特殊能带结构不能通过微扰打开带隙，且十分稳定。狄拉克半金属能带中所包含??的狄拉克点受到时间反演对称性和晶体旋转轴对称性的保护，在时间反演对称和空间反演对??称系统中是十分稳定的拓扑电子结构
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