基于光伏特性的碳納米管光電性質(zhì)研究.pdf

1、單壁碳納米管（Single walled carbon nanotubes，SWNTs）的電子結(jié)構(gòu)，在碳納米管(CNTs)作為新納米電子器件的基本單元時(shí)，成為主要的理論基礎(chǔ)。即對(duì)于包括光伏電池的電子器件而言，碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)是一個(gè)至關(guān)重要的因素。所以，碳納米管的電子結(jié)構(gòu)和禁帶寬度成為目前凝聚態(tài)物理和碳納米材料的研究前沿。具體地，對(duì)于碳納米管在光伏領(lǐng)域中的研究目前處于試驗(yàn)階段，碳納米管的光伏應(yīng)用仍需要研究者進(jìn)行大量的工作以促進(jìn)其發(fā)展。<

2、br>　　目前，人們已經(jīng)對(duì)某些特殊的單壁碳納米管的電學(xué)、光學(xué)性能通過(guò)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度的理論計(jì)算進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然而，無(wú)論是從凝聚態(tài)理論出發(fā)來(lái)研究碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)，還是利用有限元方法計(jì)算其電特性，除了針對(duì)孤立的單根碳管來(lái)說(shuō)，在宏觀尺度下對(duì)碳管束研究少之又少。由于在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)單根碳管的加工，所以在實(shí)際器件中較多采用薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的性能。
　　本文在已有研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，針對(duì)緊束縛理論的不足，將碳納米管的結(jié)構(gòu)更加細(xì)化后，利

3、用基于廣義梯度近似(GGA)的第一性原理的CASTEP(CambridgeSequential Total Energy Package)模塊，以PBE(Perdew, Burke and Emzerhof)為交換關(guān)聯(lián)函數(shù)，并采用超軟贗勢(shì)處理碳原子，通過(guò)迭代模擬計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管(7，0)、(8，0)、(9，0)、(10，0)、(11，0)、(12,0)(13，0)、(5，1)、(4，2)、(4.3)的能帶結(jié)構(gòu)、介電函數(shù)及功函

4、數(shù)。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碳納米管禁帶寬度大小并非嚴(yán)格地反比于碳納米管直徑;在不同方向的極化電場(chǎng)下，碳納米管表現(xiàn)為各向異性，介電函數(shù)虛部在極化電場(chǎng)平行碳管時(shí)大于垂直情況，并且所有碳管的光學(xué)吸收峰主要出現(xiàn)在吸收區(qū)200～2000nm;得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的功函數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同直徑的功函數(shù)值大小不同，但均分布在4.3～5.0eV之間。
　　此外，利用第一性原理得到的碳納米管的光學(xué)常數(shù)，采用基于有限元分析方法的模擬仿真Comsol_Multiphysic

5、s軟件中的高頻電磁波模塊。通過(guò)求解麥克斯韋方程組模擬研究了不同直徑、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的碳納米管束在不同間距下與電磁波的相互作用。計(jì)算時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)入射電磁波波長(zhǎng)，研究(8，0)、(10，0)、(11，0)、(5，1)、(4，2)、(4，3)幾種不同結(jié)構(gòu)的碳納米管束在THz頻率范圍內(nèi)對(duì)不同波長(zhǎng)電磁功率的吸收。發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的碳納米管，單位面積的光吸收功率隨著直徑的增大先增大后減小，并且在某一直徑下達(dá)到最大值;另外，改變碳納米管束的間距，發(fā)現(xiàn)碳納米

6、管束的吸收功率隨著間距的增大呈線性減小。最后，結(jié)合太陽(yáng)光電磁能量隨波長(zhǎng)的分布情況，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)碳納米管束(8，0)、(10，0)、(11，0)、(5，1)、(4，2)、(4，3)在200～1000nm波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率，分別為34.07％、33.4％、37.26％、31、49％、31.38％、32.28％，計(jì)算結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的碳納米管，其光伏性能不同。結(jié)合太陽(yáng)光的電磁能量輻射分布，禁帶寬度最大的碳納米管(11，0)在整個(gè)太陽(yáng)光輻射