硅摻雜調節(jié)碳納米管功能性質的理論研究.pdf

1、碳納米管由于獨特的結構和優(yōu)越的性質引起了科學家的廣泛關注。本文基于量子化學計算對硅摻雜碳納米管材料的團簇結構和周期性模型進行研究，重點關注硅原子摻雜取代體系的結構與功能關系，探討摻雜對于碳納米材料功能性質的調節(jié)，為其開發(fā)和應用提供理論參考與指導。論文的主要研究內容如下:
　　1.基于密度泛函理論結合自洽場分子軌道法對扶手椅型碳納米管(n,n)n=3～14和鋸齒型碳納米管(n，0）n=7～18進行計算，考察硅摻雜對于不同管徑和手性碳

2、管的影響。對摻雜碳管的幾何結構、相對穩(wěn)定性、電子性質、非線性光學性質以及芳香性等進行了系統(tǒng)計算和研究，并與純碳管進行比較。發(fā)現(xiàn)摻雜不同管徑和手性碳管，其結構均發(fā)生形變，硅原子的軸向量角明顯大于碳原子。內聚能和吉布斯自由能結果顯示硅摻雜導致碳管熱力學穩(wěn)定性降低。缺陷形成能的計算表明，摻雜缺陷的形成均為吸熱過程，且缺陷形成能與碳管曲率呈線性標度關系。硅摻雜會改變碳管的前線軌道的能級和空間分布。其中對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，與鋸齒型碳管的邊緣態(tài)定域化不同所致。施加電場的響應結果表明，硅摻雜將極大地提升碳管的超極化率。此外，還基于核獨立化學位移研究了硅摻雜對于碳管芳香性的影響。一些位點在硅摻雜后發(fā)生了芳香性和反芳香性的轉變。
　　2.基于密度泛函理論結合自洽場晶體軌道法對扶手椅型碳納米管(n,n）n=3～10和鋸齒型碳納米管(n，0）n=6～15的周期性模型進行了計算。計算結果表明，硅原子的軸向量角明顯大于碳原子。內聚能和吉

4、布斯自由能結果顯示硅摻雜導致碳管熱力學穩(wěn)定性降低。摻雜缺陷的形成均為吸熱過程。這些與基于團簇模型研究的結論相同。能帶結構的計算表明，硅原子摻雜打開了扶手椅碳管的能隙，使其由金屬導電性轉變?yōu)榘雽w性。對于鋸齒形碳管，硅摻雜后碳管的金屬/半導體性質與未摻雜保持一致。基于數(shù)值方法對于硅摻雜碳管的楊氏模量進行了計算。發(fā)現(xiàn)，硅摻雜導致碳管楊氏模量減小，即硅摻雜降低了碳管軸向的力學性能。此外，還基于形變勢和有效質量近似對于鋸齒型碳管的載流子遷移率進

5、行了研究。
　　3.基于密度泛函理論結合自洽場分子軌道法研究了具有不同長度的鋸齒型碳納米管(12，0)?？疾炝藫诫s密度和摻雜相位對于幾何結構、相對穩(wěn)定性和電子性質的影響。通過計算發(fā)現(xiàn)硅原子從碳管表面凸現(xiàn)出來，而且在雜化的碳管中硅原子具有明顯比較大的軸向量角。通過計算內聚能、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。反應熱⊿E的計算結果表明，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