硼摻雜碳納米管結(jié)構(gòu)和氣敏性能的理論研究.pdf

1、碳納米管傳感器具有響應時間短，靈敏度高，工作溫度低等優(yōu)點，是制作氣敏傳感器的理想材料。實驗上通過測定吸附氣體分子前后碳納米管電導率的變化，實現(xiàn)對氣體分子的檢測。但是，一些毒性氣體(如CO，NO，HCN等)，H<,2>O分子，以及多數(shù)生物分子，與碳納米管之間沒有相互作用或者作用很弱，因此納米管對此類分子沒有敏感性。為了克服這種局限性，科學界提出了通過對碳納米管進行各種物理或化學修飾等手段改變其性能，制備功能性碳納米管，用以檢測各種氣相組份

2、。我們以硼摻雜方法為例，用理論化學方法研究了功能性碳納米管對氰化物和氨氣的氣敏性。理論化學方法從原子分子水平上揭示硼摻雜對納米管電子結(jié)構(gòu)和性能的影響，不僅具有重要的理論意義，而且能夠為開發(fā)和設(shè)計新型的氣敏元件提供理論參考。 本文采用密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)研究摻雜硼原子對碳納米管的改性和硼摻雜碳納米管對氰化物和NH<,3>的氣敏性能。我們的研究基于DMol<'3>程序，使用P

3、erdew和Wang提出的局域密度泛函LDA函數(shù)和包含d極化函數(shù)的雙數(shù)字基組(DND)。通過計算優(yōu)化了體系的構(gòu)型，計算了吸附能、前線軌道能級差和氣體分子與納米管之間的電荷轉(zhuǎn)移。為討論納米管體系的電性質(zhì)，分析了體系的電子態(tài)密度。 我們以(8，O)和(5，5)碳納米管為例，研究了硼摻雜對納米管性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，摻入硼原子會引起納米管幾何和電子結(jié)構(gòu)的改變，從而導致其電性質(zhì)發(fā)生變化，使得碳納米管活性增大，因此我們推測硼摻雜可以增強

4、納米管的氣敏性能。 通過計算氰化物一納米管體系，我們發(fā)現(xiàn)純的(8，O)碳納米管與氰化氫和氯化氰之間僅靠弱的van der Waals力相互作用，沒有電荷轉(zhuǎn)移，因此，純碳納米管對氰化物沒有敏感性。當碳納米管中的某些碳原子被硼取代以后，納米管上出現(xiàn)空穴，成為p型半導體材料。它與富電子的氰化物分子作用時，從氰化物分子向硼摻雜碳納米管發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，顯著的改變了納米管的導電性，使得半導體納米管顯示金屬性。通過測定硼摻雜碳納米管的電導率在吸

5、附氰化物分子前后的變化，即可實現(xiàn)對氰化物的檢測。采用同樣的理論方法，本文還計算了NH<,3>一納米管體系，結(jié)果顯示純的(8，0)和(5，5)碳納米管對NH<,3>分子沒有敏感性。而對于硼摻雜的(8，0)和(5，5)碳納米管，當吸附NH<,3>分子后，納米管費米能級附近的電子態(tài)密度發(fā)生很大變化，并且從NH<,3>分子向硼摻雜碳納米管發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得納米管的電導率發(fā)生改變。通過測定硼摻雜碳納米管的電導率在吸附氨氣前后的變化，即可實現(xiàn)對氨氣