鋸齒型單壁碳納米管能隙的第一性原理研究.pdf

1、碳納米管被認(rèn)為是新型納米電子器件的基本結(jié)構(gòu)單元,它的能帶結(jié)構(gòu)是其電學(xué)性能的基礎(chǔ),而能隙值是電子器件的一個(gè)重要參數(shù)。因此,碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)和能隙已經(jīng)成為當(dāng)今碳質(zhì)材料和凝聚態(tài)物理研究的前沿和熱點(diǎn)之一。到目前為止,人們已經(jīng)對(duì)一些單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)和能隙進(jìn)行理論計(jì)算,并預(yù)言它們的導(dǎo)電性能。但是,一方面,那些結(jié)論大多數(shù)是對(duì)孤立的單壁碳納米管而言的,而且跟實(shí)驗(yàn)沒(méi)有很好的吻合;另一方面,采用的方法大多數(shù)是緊束縛計(jì)算和基于局域密度近似(LDA)的

2、第一性原理計(jì)算。本文采用基于密度泛函理論(DFT)和廣義梯度近似(GGA)的第一性原理方法,對(duì)鋸齒型單壁碳納米管(7,0)、(8,0)、(9,0)、(12,0)及其相應(yīng)管束的能帶結(jié)構(gòu)和能隙進(jìn)行理論計(jì)算。我們將計(jì)算的結(jié)果跟別人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出如下主要結(jié)論:(1)管束(7,0)、(8,0)、(9,0)和(12,0)的晶格常數(shù)分別為0.96nm,1.02nm,1.12nm,1.34nm。跟Gao GH的理論計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值很接

3、近,說(shuō)明我們計(jì)算方案是有效可行的。(2)(7,0)、(8,0)、(9,0)和(12,0)各孤立管的能隙分別為0.237eV,0.626eV,0.070eV,0.045eV。對(duì)于(9,0)和(12,0)管,簡(jiǎn)單的π軌道緊束縛模型認(rèn)為它們屬于金屬,而我們的計(jì)算結(jié)果跟M.Ouyang的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果都表明,它們是小能隙的半導(dǎo)體。(3)我們對(duì)各孤立管能隙的計(jì)算結(jié)果跟簡(jiǎn)單的布里淵區(qū)折疊法和簡(jiǎn)單的π軌道緊束縛模型所推出的結(jié)論有很大的出入,但跟實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

4、結(jié)果比較接近。經(jīng)過(guò)分析,我們認(rèn)為這是由于本文計(jì)算的都是小直徑的碳管,卷曲效應(yīng)比較明顯的緣故。(4)(7,0)、(8,0)、(9,0)和(12,0)各管束的能隙分別為0.194eV,0.559eV,0.059eV,0.034eV。與相應(yīng)的各孤立管相比,能隙都發(fā)生了不同程度的減小。目前尚未見(jiàn)有類(lèi)似的報(bào)道,我們分析認(rèn)為這是由于管束存在管間相互作用,電子的束縛度減小,改變了原來(lái)的能帶結(jié)構(gòu),導(dǎo)致能隙減小。本文的計(jì)算結(jié)果,有的已經(jīng)很好的跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻