無機納米管的電、熱學(xué)性能及摻雜效應(yīng).pdf

1、為了更為深入地了解碳、氮化硼等無機納米管的物理性能，我們研究了無機納米管的電、熱學(xué)性質(zhì)以及摻雜效應(yīng)，得到了一些有意義的結(jié)果。本論文首先對于無機納米管的研究現(xiàn)狀，包括結(jié)構(gòu)形態(tài)、發(fā)現(xiàn)和制備、物理性能與應(yīng)用前景進行了系統(tǒng)的評述。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型并選用合適的研究方法，如密度泛函理論、晶格動力學(xué)理論等研究了無機納米管的電、聲子結(jié)構(gòu)、熱學(xué)性質(zhì)以及摻雜對物性的影響，探討了單壁、多壁碳納米管以及具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙壁納米管的摻雜效應(yīng)，考察了物理

2、性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特征，并研究了物理機理。本文的安排如下：
　　 （1）第一章，闡述了無機納米管的研究背景和歷史，以及無機納米管的典型結(jié)構(gòu)，并對其物理性能和應(yīng)用前景做了一個簡要介紹。
　　 （2）第二章，介紹了已廣泛應(yīng)用于計算碳納米管的電子結(jié)構(gòu)和聲子結(jié)構(gòu)的緊束縛方法和力常數(shù)模型。通過數(shù)值計算，給出了采用緊束縛方法計算的單壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)的主要特征。另外，簡要介紹了我們發(fā)展的用于獲得碳納米管上兩個原子之間的力常數(shù)

3、矩陣的五步旋轉(zhuǎn)方法，并給出了扶手椅型和鋸齒型碳納米管的聲子結(jié)構(gòu)以及振動模式密度。
　　 （3）第三章，由于碳納米管的卷曲效應(yīng)，傳統(tǒng)的緊束縛模型和力常數(shù)模型已經(jīng)不能夠直接用于小管徑碳納米管的電、聲子結(jié)構(gòu)的計算。對于電子結(jié)構(gòu)，我們采用密度泛函理論計算了單壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，重點探討了卷曲效應(yīng)對于電子結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，在大管徑碳納米管中卷曲效應(yīng)對于電子結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，緊束縛理論能夠用來描述其電子特征。但是對于小管徑碳納米管，

4、強的卷曲效應(yīng)使得緊束縛理論的預(yù)測失效。此外，卷曲效應(yīng)對于雙壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)有較大影響，由于內(nèi)管和外管之間的結(jié)構(gòu)卷曲程度不同，費米面附近的電子態(tài)發(fā)生明顯移動，導(dǎo)致半導(dǎo)體-半導(dǎo)體型雙壁碳納米管的能隙顯著降低。此外，從單壁碳納米管的卷曲能出發(fā)，推導(dǎo)了單壁碳納米管原子間的徑向力常數(shù)與石墨片的力常數(shù)以及卷曲程度之間的解析表達式，該表達式表明：當石墨片卷曲成單壁碳納米管時，由于體系總能量和原子鍵長的改變，力常數(shù)將會發(fā)生改變?？紤]卷曲效應(yīng)，計算了

5、管徑為4?的單壁碳納米管的徑向呼吸模式，并與他人的計算結(jié)果做了比較，與實驗結(jié)果符合較好。
　　 （4）第四章，采用力常數(shù)模型，計算了氮化硼納米管的聲子結(jié)構(gòu)。根據(jù)氮化硼納米管的結(jié)構(gòu)對稱性，指認了Raman模式并研究了Raman模式的頻率與管徑之間的關(guān)系。
　　 計算了氮化硼納米管的比熱，提出了比熱與管徑和螺旋度之間的經(jīng)驗公式?；贚andauer 理論，計算了單壁氮化硼納米管的彈道熱導(dǎo)系數(shù)，結(jié)果表明低溫熱輸運呈現(xiàn)量子特征，

6、熱導(dǎo)系數(shù)隨著管徑的增加而升高。另外，通過計算多壁碳納米管和單晶氮化鎵納米管的比熱，分析了表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對于比熱的影響，在這兩類納米管中，量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)分別在各自的比熱的尺寸變化中起著主導(dǎo)作用?；谌曌由⑸涞奈_理論，計算了多壁碳納米管和單壁碳納米管管束的熱導(dǎo)率，計算結(jié)果表明，單壁碳納米管的熱導(dǎo)率在相同管徑下，螺旋型碳納米管的熱導(dǎo)率最低。另外，在強、弱耦合情況下，單壁碳納米管管束和多壁碳納米管的熱導(dǎo)率明顯不同于單根單壁碳

7、納米管，強的管間耦合作用能夠極大地抑制了碳納米管的熱傳導(dǎo)性能。
　　 （5）第五章，選取適當?shù)脑娱g相互作用勢，計算了堿金屬摻雜的單壁碳納米管管束的聲子結(jié)構(gòu)和比熱，探討了高頻模式頻率隨著摻雜濃度的變化關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)由于鉀原子振動模式在低頻占主導(dǎo)地位引起低溫比熱偏離正常的變化關(guān)系。
　　 （6）第六章，為了檢驗雙壁納米管是否具有類似于經(jīng)典圓柱形電容器的電荷屏蔽行為，我們計算了鉀摻雜雙壁碳納米管和碳-氮化硼納米管的電子結(jié)構(gòu)和電

8、荷分布。對于大管徑的雙壁碳納米管，電荷分布與經(jīng)典的圓柱形電容器類似，電荷盡可能分布在外管。由于卷曲效應(yīng)，在半導(dǎo)體-半導(dǎo)體和金屬性-半導(dǎo)體性雙壁碳納米管中，鉀摻雜使得小管徑的內(nèi)管帶上了較多的電荷。如果外管是絕緣性的氮化硼納米管，由于費米面附近的電子態(tài)主要屬于碳納米管，電荷將優(yōu)先分布在內(nèi)管。我們也探討了鉀、溴共摻雜對于單壁和雙壁碳納米管的性能的影響，在雙壁碳納米管中，共摻雜使得外管和內(nèi)管帶上正、負不同的電荷，使其可能在p-n 結(jié)中得到應(yīng)用。