低維碳納米材料的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控.pdf

1、本論文采用密度泛函理論計算，研究了低維碳納米材料(石墨和碳納米管)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控、磁性機理以及制造磁性材料的可能性。內(nèi)容包括碳離子注入石墨后產(chǎn)生點缺陷，單層石墨片(graphene)表面化學修飾，碳納米管表面化學修飾，碳納米管管內(nèi)金屬銀原子摻雜等方面。重點研究了各種功能化修飾對體系電子結(jié)構(gòu)的影響，通過自旋極化的計算分析了各種情況下體系產(chǎn)生局域磁矩的可能性，提出了制造基于石墨和碳納米管的磁性納米材料和電子輸運器件的可能性和方法。

2、本論文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： 一、系統(tǒng)分析了碳離子注入石墨的電子性質(zhì)和誘發(fā)磁性產(chǎn)生的原因。系統(tǒng)分析了離子注入對石墨材料的影響，注入過程中可能產(chǎn)生的各種缺陷的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。通過我們的計算，發(fā)現(xiàn)各種缺陷中只有空位缺陷的局域磁矩能夠有效的鐵磁耦合，對宏觀磁性起作用；籠形缺陷在特定密度下能夠產(chǎn)生宏觀磁矩。而其余各種缺陷如間隙Spiro 缺陷、間隙原子-空位復合對、Stone-wale缺陷等雖然能夠大量存在，但是都不具有局域磁矩。

3、 二、討論了通過單層石墨(graphene)表面單價修飾和雙價修飾的方法制造磁性材料的可能性。我們發(fā)現(xiàn)單純依靠單價修飾來產(chǎn)生磁性需要極高的修飾濃度并且修飾位置必須統(tǒng)一在相同石墨次晶格的碳原子上，技術(shù)上實現(xiàn)幾乎不可能。而雙價修飾的磁性對修飾濃度要求不高，并且修飾位也沒有限制。但是，局域磁矩依賴于雙價修飾基上未成對的p電子，這些p電子往往具有很強的化學不穩(wěn)定性，在空氣中很容易被飽和，而失去磁性。我們指出，如果實驗上能夠很好的保護修飾基

4、不被飽和，雙價修飾的石墨將有可能在納米材料和自旋輸運材料上有潛在的應(yīng)用價值。 三、研究了在單壁碳納米管內(nèi)制備納米級超細導線的可能性。因為從實驗上發(fā)現(xiàn)，拉成納米量級粗細的金屬導線，在空氣中很容易被氧化，這就提出了如何對這些超細的金屬導線進行保護的問題。而單壁碳納米管具有優(yōu)良的力學特性和獨特的中空結(jié)構(gòu)，自然成為制造納米導線的首選。我們系統(tǒng)的研究了在不同粗細的金屬性和非金屬性單壁碳納米管內(nèi)部摻雜不同濃度銀原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)

5、只要摻雜銀原子的濃度達到一定比例，整個的復合體系具有很好的電導性和熱穩(wěn)定性，從而使制備超細金屬導線成為可能。我們還從物理和化學兩方面分析了金屬原子進入碳納米管內(nèi)部的可能性并提出了實驗上實現(xiàn)的方法。 四、研究了單壁碳納米管外壁氫原子修飾的電子結(jié)構(gòu)和磁性。發(fā)現(xiàn)外壁氫原子修飾后，導致碳納米管外壁相關(guān)碳原子sp3雜化，使得金屬性碳納米管出現(xiàn)帶隙，并在費米能級附近產(chǎn)生非常定域的雜質(zhì)能帶。在一定程度上，由于帶隙的出現(xiàn)碳納米管喪失導電性。如果

6、氫原子修飾的濃度足夠大，并且氫原子的修飾位置統(tǒng)一在相同次晶格的碳原子上時，由于定域電子態(tài)之間的直接耦合將會發(fā)生自旋極化而具有磁性，這為制備最小的納米磁性材料提供了一種可行的手段。 五、研究了單壁碳納米管((5，5)和(8，0))外壁存在含氮本征缺陷時的電子結(jié)構(gòu)和磁性，缺陷結(jié)構(gòu)包括雙價氮原子外壁吸附、氮原子替位缺陷、氨基吸附以及外壁含氮原子的空位缺陷。碳納米管外壁雙價氮原子的存在往往會產(chǎn)生局域磁矩，和石墨片表面的雙鍵修飾誘發(fā)磁性一