碳納米管場(chǎng)致電子發(fā)射性能優(yōu)化的量子力學(xué)模擬研究.pdf

1、碳納米管具有許多優(yōu)秀的特性，其中場(chǎng)致電子發(fā)射特性一直吸引著大量實(shí)驗(yàn)和理論研究的興趣。優(yōu)越的場(chǎng)致電子發(fā)射特性使碳納米管具有廣泛的潛在應(yīng)用前景，例如它可以用作電子發(fā)射源、原子探針、氣體探測(cè)器等。對(duì)場(chǎng)致電子發(fā)射的各種可能應(yīng)用，深入認(rèn)識(shí)碳納米管在外加電場(chǎng)作用下的電子和電場(chǎng)分布以及電子的發(fā)射機(jī)制是至關(guān)重要的。我們以實(shí)驗(yàn)尺度的真實(shí)碳納米管為研究對(duì)象，對(duì)其原子尺度的原子和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子力學(xué)模擬，目的是發(fā)掘相關(guān)物理規(guī)律，為改善碳納米管場(chǎng)致電子發(fā)射特性

2、提供理論指導(dǎo)。 碳納米管的長(zhǎng)度一般達(dá)微米量級(jí)，包含105以上個(gè)原子。對(duì)一個(gè)這樣的體系進(jìn)行模擬研究，給計(jì)算方法提出了極大的挑戰(zhàn)。碳納米管發(fā)射電子時(shí)，電子是在碳納米管尖端通過(guò)量子隧穿透射出去，而靠近基底部分的碳納米管主要通過(guò)富余電荷的庫(kù)侖勢(shì)影響電子的發(fā)射。根據(jù)碳納米管場(chǎng)致電子發(fā)射的這個(gè)特點(diǎn)，我們采用量子力學(xué)／經(jīng)典力學(xué)耦合方法，把碳納米管分成量子區(qū)和半經(jīng)典區(qū)兩個(gè)部分。我們還引入分而治之方法，把量子區(qū)分割成一個(gè)個(gè)較小的體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)度

3、在微米量級(jí)的碳納米管場(chǎng)致發(fā)射的模擬研究。 作為這種強(qiáng)有力方法的應(yīng)用，我們研究了(5，5)單壁碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)射性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)管間距小于管長(zhǎng)時(shí)，外加電場(chǎng)被嚴(yán)重地屏蔽。跟最大電流密度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)管間距大概等于2—3倍管長(zhǎng)，它們的具體比值跟外加電場(chǎng)和碳納米管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。碳納米管陣列的屏蔽效應(yīng)可以用屏蔽因子描述。我們發(fā)現(xiàn)，屏蔽因子是管間距與管長(zhǎng)比值的指數(shù)衰減函數(shù)，基本上跟外加電場(chǎng)無(wú)關(guān)，它反映的是碳納米管陣列的本征特

4、性。對(duì)于給定的管長(zhǎng)，當(dāng)屏蔽因子大于0.05時(shí)，管陣的場(chǎng)增強(qiáng)因子隨屏蔽因子的增大而顯著地減小。我們的模擬結(jié)果表明，為了增大管陣的發(fā)射電流密度，管陣的管長(zhǎng)需要大于某一特定值。然而管長(zhǎng)足夠大時(shí)，再增加管長(zhǎng)就不能明顯地改善管陣的發(fā)射性能。 我們還詳細(xì)地研究了(5，5)單根碳納米管尖端-BH、-NH和-O三種吸附結(jié)構(gòu)的結(jié)合能、真空勢(shì)壘、發(fā)射路徑和電流一電場(chǎng)特性。研究結(jié)果表明，跟-O的吸附結(jié)構(gòu)相比，-BH和-NH兩種吸附結(jié)構(gòu)顯著地壓制真空勢(shì)