碳納米管場致電子發(fā)射性能優(yōu)化的量子力學(xué)模擬研究.pdf

1、碳納米管具有許多優(yōu)秀的特性，其中場致電子發(fā)射特性一直吸引著大量實(shí)驗(yàn)和理論研究的興趣。優(yōu)越的場致電子發(fā)射特性使碳納米管具有廣泛的潛在應(yīng)用前景，例如它可以用作電子發(fā)射源、原子探針、氣體探測器等。對(duì)場致電子發(fā)射的各種可能應(yīng)用，深入認(rèn)識(shí)碳納米管在外加電場作用下的電子和電場分布以及電子的發(fā)射機(jī)制是至關(guān)重要的。我們以實(shí)驗(yàn)尺度的真實(shí)碳納米管為研究對(duì)象，對(duì)其原子尺度的原子和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子力學(xué)模擬，目的是發(fā)掘相關(guān)物理規(guī)律，為改善碳納米管場致電子發(fā)射特性

2、提供理論指導(dǎo)。 碳納米管的長度一般達(dá)微米量級(jí)，包含105以上個(gè)原子。對(duì)一個(gè)這樣的體系進(jìn)行模擬研究，給計(jì)算方法提出了極大的挑戰(zhàn)。碳納米管發(fā)射電子時(shí)，電子是在碳納米管尖端通過量子隧穿透射出去，而靠近基底部分的碳納米管主要通過富余電荷的庫侖勢影響電子的發(fā)射。根據(jù)碳納米管場致電子發(fā)射的這個(gè)特點(diǎn)，我們采用量子力學(xué)／經(jīng)典力學(xué)耦合方法，把碳納米管分成量子區(qū)和半經(jīng)典區(qū)兩個(gè)部分。我們還引入分而治之方法，把量子區(qū)分割成一個(gè)個(gè)較小的體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長度

3、在微米量級(jí)的碳納米管場致發(fā)射的模擬研究。 作為這種強(qiáng)有力方法的應(yīng)用，我們研究了(5，5)單壁碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)射性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)管間距小于管長時(shí)，外加電場被嚴(yán)重地屏蔽。跟最大電流密度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)管間距大概等于2—3倍管長，它們的具體比值跟外加電場和碳納米管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。碳納米管陣列的屏蔽效應(yīng)可以用屏蔽因子描述。我們發(fā)現(xiàn)，屏蔽因子是管間距與管長比值的指數(shù)衰減函數(shù)，基本上跟外加電場無關(guān)，它反映的是碳納米管陣列的本征特

4、性。對(duì)于給定的管長，當(dāng)屏蔽因子大于0.05時(shí)，管陣的場增強(qiáng)因子隨屏蔽因子的增大而顯著地減小。我們的模擬結(jié)果表明，為了增大管陣的發(fā)射電流密度，管陣的管長需要大于某一特定值。然而管長足夠大時(shí)，再增加管長就不能明顯地改善管陣的發(fā)射性能。 我們還詳細(xì)地研究了(5，5)單根碳納米管尖端-BH、-NH和-O三種吸附結(jié)構(gòu)的結(jié)合能、真空勢壘、發(fā)射路徑和電流一電場特性。研究結(jié)果表明，跟-O的吸附結(jié)構(gòu)相比，-BH和-NH兩種吸附結(jié)構(gòu)顯著地壓制真空勢