填充富勒烯的碳納米管及其彎曲性能的模擬研究.pdf

1、自從碳納米管于1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其以完美結(jié)構(gòu)、低密度、高強(qiáng)度和卓越的電學(xué)性能而備受關(guān)注。近些年來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多不同種類的填充碳納米管相繼被制造出來(lái)。與空管相比較，填充碳納米管具有更強(qiáng)的軸、徑向強(qiáng)度和不同的光電學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，填充碳納米管還提供了一種高效的存儲(chǔ)系統(tǒng)。正因?yàn)橛辛诉@些優(yōu)異的性能，使得填充碳納米管有著更加廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也得到了越來(lái)越多的重視。緊隨目前的研究熱點(diǎn)，本文采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)的方法，模擬研究填

2、充C<,60>的碳納米管在彎曲過程中的性質(zhì)，我們研究的重點(diǎn)是C<,60>富勒烯與碳納米管的相互作用對(duì)碳納米管彎曲性能的影響。我們采用Brenner半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)模擬C-C原子間的短程作用，采用Kennard-Jones(LJ)勢(shì)模擬C<,60>-CNT和C<,60>之間的范德瓦耳斯(vdW)相互作用。以彈性力學(xué)中桿的彎曲模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了在原子水平研究碳納米管彎曲特性的計(jì)算模型。 通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，滿填充C<,60>的納米管((C

3、<,60>)<,12>@(10，10))和部分填充C<,60>的碳納米管((C<,60>)<,10>@(10，10))的彎曲剛度分別較空管提升了18％和6.3％；其扭曲強(qiáng)度分別增強(qiáng)45％和11％。此外，與空管不同的是，填充管在彎曲過程中會(huì)出現(xiàn)一段過渡形態(tài)。在過渡形態(tài)中，在納米管管壁內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)波折現(xiàn)象，這是由于C<,60>富勒烯和納米管管壁間的vdW相互作用。部分填充管波折的形態(tài)變化幅度比滿填充管小很多，波折的持續(xù)時(shí)間也要短得多，主要是因

4、為部分填充管內(nèi)的C<,60>富勒烯在軸向有較大的移動(dòng)空間。類似的波折現(xiàn)象也出現(xiàn)在多壁碳納米管的彎曲過程中，不過此時(shí)它出現(xiàn)在碳納米管的彈性范圍以外，而填充碳納米管則是出現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)。 此外，我們還通過分子動(dòng)力學(xué)(MD)和蒙特卡羅(MC)相結(jié)合的辦法，模擬研究了碳(C)原子和C2分子在Si(001)表面的吸附和擴(kuò)散現(xiàn)象。我們期望通過我們的研究，能夠給實(shí)驗(yàn)上制備高質(zhì)量的類金剛石薄膜提供一定的幫助。我們采用半經(jīng)驗(yàn)Brenner勢(shì)和Te

5、rsoff勢(shì)模擬研究C-C，C-Si和Si-Si之間的相互作用。通過掃描勢(shì)場(chǎng)的辦法找出C和C2在Si(001)表面的主要吸附點(diǎn)和跳躍勢(shì)壘。最后，我們采用表面擴(kuò)散的MC方法模擬C和C2各自的擴(kuò)散特征。模擬結(jié)果顯示，C和C2都傾向于沿著Si晶體的周期性方向生長(zhǎng)。單個(gè)C原子能夠在Si表面擴(kuò)散較長(zhǎng)的距離，而C2分子則比較容易被限制在局部區(qū)域。因此，我們推測(cè)采用單個(gè)C原子作為入射材料比較容易得到均勻的類金剛石膜，而采用C2分子則更容易在Si表面形