納米管及氫吸附的結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、作為最有前景低維材料之一的納米管具有特殊的結(jié)構(gòu)；奇異的力學(xué)性能；電學(xué)性能和熱力學(xué)性能，引起研究者的廣泛關(guān)注。本論文采用基于第一性原理的SIESTA軟件，對(duì)納米管和氫原子化學(xué)吸附后的納米管的結(jié)構(gòu)，力學(xué)，電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算主要包括兩部分：第一部分主要研究氫原子吸附在鋸齒型(zigzag)碳納米管外壁，所能形成的穩(wěn)定構(gòu)型，并對(duì)吸附后的構(gòu)型的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了分析；第二部分主要對(duì)扶手椅(armchair)和鋸齒型，這兩種

2、類型的硼納米管進(jìn)行了計(jì)算。硼納米管和碳納米管相比，硼納米管的穩(wěn)定性是研究關(guān)注的重點(diǎn)。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)，對(duì)硼納米管的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)其熱膨脹性能進(jìn)行了分析。
　　 對(duì)于氫原子吸附在碳納米管的構(gòu)型的研究。首先分析了不同覆蓋率下，三種吸附方式的相對(duì)穩(wěn)定性。從能量的計(jì)算結(jié)果分析可知，形成吸附雙聚合(double-dimer)構(gòu)型的穩(wěn)定性最好。在這一吸附方式下，對(duì)碳管(7，0)到(11，0)的吸附構(gòu)型進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在氫原子的覆蓋率

3、X=n-8/n×100％(n為被吸附的碳管晶胞的原子數(shù))時(shí)，存在兩種類型即類型A和類型B的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，類型A只存在于(7，0)和(8，0)碳管上，類型B則發(fā)生在(8，0)，(9，0)，(10，0)和(11，0)的碳管上。這兩種轉(zhuǎn)變的構(gòu)型比相同吸附率下的別的構(gòu)型穩(wěn)定。對(duì)于類型B的構(gòu)型，沿著軸向，sp3雜化在所有的位置都得到了增強(qiáng)，而對(duì)于類型A的構(gòu)型，在軸向吸附氫原子的位置，傾向于sp3雜化。當(dāng)類型A轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)，吸附的碳管會(huì)從半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變成金

4、屬性。而類型B的吸附構(gòu)型會(huì)從金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性，或者從窄帶隙的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成寬帶隙的半導(dǎo)體，而且類型B構(gòu)型的帶隙數(shù)值比覆蓋率達(dá)到100％的構(gòu)型的帶隙還要大。對(duì)這兩種轉(zhuǎn)變的電荷密度計(jì)算表明，他們的電荷轉(zhuǎn)移只發(fā)生在沒(méi)有氫原子吸附的C-C鍵的位置。電荷的轉(zhuǎn)移和所在位置的C-C鍵的鍵長(zhǎng)有很大關(guān)系。鍵長(zhǎng)減小對(duì)應(yīng)著電荷密度的增加，反之，則減小。
　　 吸附后碳管的楊氏模量的數(shù)值隨著氫覆蓋率的增加而逐步的減少，楊氏模量的數(shù)值在覆蓋率為50％時(shí)

5、，大約是未吸附前一半；而在覆蓋率為100％時(shí)，其數(shù)值僅是未吸附前的三分之一。在同一覆蓋率下，類型A構(gòu)型的楊氏模量數(shù)值比同一吸附率下的其他構(gòu)型的數(shù)值要大，說(shuō)明類型A轉(zhuǎn)變，一定程度上提高了楊氏模量數(shù)值。總體來(lái)說(shuō)，類型B構(gòu)型比同一吸附率下的其他構(gòu)型的楊氏模量的數(shù)值略小。比如類型A和類型B在碳管(8，0)的構(gòu)型的楊氏模量分別為400.63和358.53GPa，而相同吸附率下其他構(gòu)型的數(shù)值在370 GPa左右。
　　 對(duì)目前理論得到的最穩(wěn)

6、定的硼的平面結(jié)構(gòu)α單層(α-sheet)卷曲形成的硼納米管進(jìn)行了計(jì)算。硼納米管的形變能隨著管徑的增大而減小。而徑向拉伸的作用下的形變能隨著Z軸施加應(yīng)變的增大而增大。扶手椅型的硼納米管的穩(wěn)定性比鋸齒型的更好一些。在采用殼層厚度為0.244 nm時(shí)，直徑為0.65到1.96 nm的范圍內(nèi)的硼納米管的楊氏模量在0.52到0.63 TPa之間。鋸齒型硼納米管的楊氏模量比扶手椅型納米管的數(shù)值要大15％左右，兩種類型的納米管的楊氏數(shù)值隨著管徑的增大

7、，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在1.14-1.40 nm直徑的范圍，兩種類型的楊氏數(shù)值得到最優(yōu)值。兩種類型的泊松比，在0.16-0.20之間。
　　 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)的研究，對(duì)硼納米管的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，硼納米管在1000K以下保持穩(wěn)定，而且小管徑的硼納米管具有更好熱穩(wěn)定性。兩種類型的硼納米管的熱膨脹系數(shù)，在低溫區(qū)顯示為負(fù)值，隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)從負(fù)值變?yōu)檎?。這和碳管的熱膨脹系數(shù)的變化趨勢(shì)是一樣的。以硼納米管(4，0)為例