硅摻雜調(diào)節(jié)碳納米管功能性質(zhì)的理論研究.pdf

1、碳納米管由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性質(zhì)引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。本文基于量子化學(xué)計(jì)算對(duì)硅摻雜碳納米管材料的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和周期性模型進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注硅原子摻雜取代體系的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，探討摻雜對(duì)于碳納米材料功能性質(zhì)的調(diào)節(jié)，為其開發(fā)和應(yīng)用提供理論參考與指導(dǎo)。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.基于密度泛函理論結(jié)合自洽場(chǎng)分子軌道法對(duì)扶手椅型碳納米管(n,n)n=3～14和鋸齒型碳納米管(n，0）n=7～18進(jìn)行計(jì)算，考察硅摻雜對(duì)于不同管徑和手性碳

2、管的影響。對(duì)摻雜碳管的幾何結(jié)構(gòu)、相對(duì)穩(wěn)定性、電子性質(zhì)、非線性光學(xué)性質(zhì)以及芳香性等進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算和研究，并與純碳管進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)摻雜不同管徑和手性碳管，其結(jié)構(gòu)均發(fā)生形變，硅原子的軸向量角明顯大于碳原子。內(nèi)聚能和吉布斯自由能結(jié)果顯示硅摻雜導(dǎo)致碳管熱力學(xué)穩(wěn)定性降低。缺陷形成能的計(jì)算表明，摻雜缺陷的形成均為吸熱過(guò)程，且缺陷形成能與碳管曲率呈線性標(biāo)度關(guān)系。硅摻雜會(huì)改變碳管的前線軌道的能級(jí)和空間分布。其中對(duì)于扶手椅碳管更為明顯。這是由于扶手椅碳管的

3、前線軌道呈現(xiàn)高度離域化特點(diǎn)，與鋸齒型碳管的邊緣態(tài)定域化不同所致。施加電場(chǎng)的響應(yīng)結(jié)果表明，硅摻雜將極大地提升碳管的超極化率。此外，還基于核獨(dú)立化學(xué)位移研究了硅摻雜對(duì)于碳管芳香性的影響。一些位點(diǎn)在硅摻雜后發(fā)生了芳香性和反芳香性的轉(zhuǎn)變。
　　2.基于密度泛函理論結(jié)合自洽場(chǎng)晶體軌道法對(duì)扶手椅型碳納米管(n,n）n=3～10和鋸齒型碳納米管(n，0）n=6～15的周期性模型進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，硅原子的軸向量角明顯大于碳原子。內(nèi)聚能和吉

4、布斯自由能結(jié)果顯示硅摻雜導(dǎo)致碳管熱力學(xué)穩(wěn)定性降低。摻雜缺陷的形成均為吸熱過(guò)程。這些與基于團(tuán)簇模型研究的結(jié)論相同。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明，硅原子摻雜打開了扶手椅碳管的能隙，使其由金屬導(dǎo)電性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性。對(duì)于鋸齒形碳管，硅摻雜后碳管的金屬/半導(dǎo)體性質(zhì)與未摻雜保持一致?；跀?shù)值方法對(duì)于硅摻雜碳管的楊氏模量進(jìn)行了計(jì)算。發(fā)現(xiàn)，硅摻雜導(dǎo)致碳管楊氏模量減小，即硅摻雜降低了碳管軸向的力學(xué)性能。此外，還基于形變勢(shì)和有效質(zhì)量近似對(duì)于鋸齒型碳管的載流子遷移率進(jìn)

5、行了研究。
　　3.基于密度泛函理論結(jié)合自洽場(chǎng)分子軌道法研究了具有不同長(zhǎng)度的鋸齒型碳納米管(12，0)?？疾炝藫诫s密度和摻雜相位對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)、相對(duì)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)硅原子從碳管表面凸現(xiàn)出來(lái)，而且在雜化的碳管中硅原子具有明顯比較大的軸向量角。通過(guò)計(jì)算內(nèi)聚能、吉布斯自由能，發(fā)現(xiàn)硅摻雜的碳納米管比純碳管的穩(wěn)定性低。反應(yīng)熱⊿E的計(jì)算結(jié)果表明，硅原子摻雜取代的碳納米管最穩(wěn)定的位置發(fā)生在碳管邊緣的位置。此外，硅原子摻雜的碳納