修飾型碳納米管的輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、自碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái),它就以優(yōu)異的電學(xué)及力學(xué)性能引起了物理、化學(xué)及材料等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注,成為制備納米電子器件的理想材料之一。作為在低維度探究新型量子現(xiàn)象的特殊材料,它們可以大量生產(chǎn)并且可以塑造成不同的幾何結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出多樣的物理性質(zhì)。此外,單壁碳納米管的物理特性均由其半徑和手性決定,但碳管中的缺陷和雜質(zhì)可使其特性發(fā)生變化。自1993年Ajayan和Iijima率先得到了填充有Pb的多壁碳納米管后,大量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明,在碳納米

2、管的量子內(nèi)腔中,不僅填充物質(zhì)自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)與其宏觀狀態(tài)相比發(fā)生了變化,而且在一定程度上也對(duì)碳納米管的性質(zhì)產(chǎn)生了很大的影響。由于過(guò)渡金屬和有機(jī)金屬分子封裝進(jìn)碳納米管內(nèi)的一些基本特性和它們實(shí)際應(yīng)用的可能性,這類系統(tǒng)已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注,它們是新型納米器件理想的候選者,有可能產(chǎn)生磁性功能化碳納米管。
　　本文應(yīng)用第一性原理的計(jì)算軟件Atomistix ToolKit(ATK),運(yùn)用非平衡格林函數(shù)(NEGF)和密度泛函理論(DF

3、T),對(duì)不同手性單壁碳納米管封裝進(jìn)不同種類、不同數(shù)量的過(guò)渡金屬原子以及磁性分子之后的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究。首先研究了金屬原子修飾(吸附或填充)的(7,0)碳納米管復(fù)合系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)以及輸運(yùn)特性。對(duì)金(Au)原子修飾的碳納米管體系的輸運(yùn)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),根據(jù)Au原子的數(shù)量不同,修飾后的納米管復(fù)合系統(tǒng)的透射都是各不相同的;而且沿碳管中軸周期性地嵌入 Au原子后,(7,0)碳管復(fù)合系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,由半導(dǎo)體性變成了導(dǎo)體性,說(shuō)明填充物在很

4、大程度上對(duì)碳納米管性質(zhì)產(chǎn)生了影響。對(duì)一個(gè)鐵(Fe)原子嵌入(7,0)碳納米管系統(tǒng)的輸運(yùn)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),彈道輸運(yùn)的特征會(huì)受到一定程度的破壞,量子化傳輸性質(zhì)逐漸缺失,并且這些變化均與自旋有關(guān)。
　　然后研究了分別嵌入一個(gè)過(guò)渡金屬原子(Fe、Co、Ni)的(4,4)碳納米管系統(tǒng)的電磁輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)三種體系都在費(fèi)米面附近出現(xiàn)自旋相關(guān)的電導(dǎo)下降谷,顯示出自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)。并且將Fe原子嵌入在納米管的軸向不同位置得到的電導(dǎo)曲線完全相同,說(shuō)明電導(dǎo)

5、曲線是特征性的,由修飾的金屬種類確定,可以利用這一性質(zhì)來(lái)檢測(cè)過(guò)渡金屬種類。其次,進(jìn)一步研究碳管內(nèi)封裝兩個(gè)鐵原子體系的輸運(yùn)性質(zhì),考慮了鐵磁和反鐵磁兩種狀態(tài),對(duì)雙Fe原子嵌入(4,4)碳納米管系統(tǒng)在費(fèi)米面處的電導(dǎo)極化率、I-V特性關(guān)系圖以及隨偏壓變化的透射譜圖進(jìn)行比較研究,發(fā)現(xiàn)在小偏壓范圍內(nèi), I-V的變化都呈現(xiàn)出線性關(guān)系;隨著電壓的增加,雙Fe原子反鐵磁態(tài)體系的電流曲線出現(xiàn)非線性轉(zhuǎn)變。計(jì)算結(jié)果表明磁性狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致不同的電輸運(yùn)特性。