摻雜碳納米管氣敏性能的理論研究.pdf

1、繼碳富勒烯和碳納米管成功合成之后，半導(dǎo)體納米團(tuán)簇的研究一直是國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要研究課題之一。硼、碳、硅等為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體團(tuán)簇，在電子學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)、熱學(xué)以及生物學(xué)等方面表現(xiàn)出許多優(yōu)良的物理化學(xué)性能，是團(tuán)簇領(lǐng)域研究的熱點。隨著現(xiàn)代實驗技術(shù)的發(fā)展，越來越多的半導(dǎo)體納米簇被成功研制出來，相關(guān)的理論研究也隨之開展起來，基于量子化學(xué)計算人們從原子、分子層次上研究這些團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，探討它們的生長機(jī)制，預(yù)測其特殊的物理化學(xué)性能，從而為

2、相關(guān)的實驗研究提供一定的理論依據(jù)。 本論文用量子化學(xué)方法開展了兩方面的理論研究：一方面探討了二氧化硅團(tuán)簇與CF<,n>(n=1-3)自由基的反應(yīng)性能，另一方面研究了Si、N摻雜的碳納米管與若干氣體小分子的相互作用。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性結(jié)果如下： 一、用密度泛函理論在UB3LYP/6-31G(d)水平上研究了二元硅氧環(huán)與CF<,n>(n=1～3)自由基的反應(yīng)，弄清了微觀反應(yīng)機(jī)理，計算了反應(yīng)的活化能和反應(yīng)熱。計算結(jié)果表明反應(yīng)

3、按兩類相互競爭的機(jī)理進(jìn)行：一類是不涉及C—F鍵斷裂的反應(yīng)，另一類是Si—O和C-F鍵同時斷裂的反應(yīng)。CF<,2>自由基與二元硅氧環(huán)反應(yīng)所需活化能最小、驅(qū)動力最大，是Si—O鍵最有效的刻蝕劑，與實驗結(jié)果一致。與CF<,3>相比，CF、CF<,2>自由基是室溫下較有效的刻蝕組分，其中CF<,2>被期望有最高的刻蝕效率。 二、研究了半導(dǎo)體純(8,0)碳納米管和Si摻雜子的碳納米管與一些有毒氣體如甲醛、一氧化碳和硫化氫的相互作用。計算的

4、幾何結(jié)構(gòu)、吸附能以及電荷轉(zhuǎn)移的結(jié)果表明純碳納米管對這三種有毒氣體均沒有反應(yīng)活性，而Si原子摻雜的碳納米管則顯示了不同程度的反應(yīng)活性。通過詳細(xì)的態(tài)密度分析，我們建議硅摻雜的碳納米管可以用作一氧化碳傳感器、甲醛捕捉器以及消除硫化氫的微反應(yīng)器。 三、研究了氮原子摻雜的碳納米管對BH<,3>氣體的吸附性能，發(fā)現(xiàn)了一種有重要價值的增敏體系。與純碳納米管相比，氮原子摻雜使碳納米管在摻雜部位發(fā)生了結(jié)構(gòu)形變，電子運(yùn)動性質(zhì)也發(fā)生了明顯變化。計算的