碳納米管場發(fā)射的線性標(biāo)度模擬.pdf

1、本論文主要目的是通過量子力學(xué)方法對碳納米管的場發(fā)射行為展開模擬，期望能從中發(fā)現(xiàn)一定規(guī)律并能對一定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。 第一章主要介紹碳納米管的有關(guān)研究進(jìn)展和場發(fā)射特性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碳納米管在場發(fā)射方向具有發(fā)射電流密度大、功函數(shù)小、閾值電場低、發(fā)射電流穩(wěn)定性好等性質(zhì)。這些特性與其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)、納米級(jí)尖端曲率半徑有關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有一些不同于傳統(tǒng)場發(fā)射體的發(fā)射特性，比如電流飽和等特性。 第二章主要介紹有關(guān)研究理論研究方法。碳納

2、米管場發(fā)射性質(zhì)的研究需解決具有大量電子的體系，傳統(tǒng)量子計(jì)算方法精度高，但計(jì)算量巨大，不適宜用于該項(xiàng)計(jì)算。從1991年開始，廣泛線性標(biāo)度方法研究持續(xù)進(jìn)行。線性標(biāo)度基本原理同電子局域性有關(guān)。有關(guān)線性標(biāo)度方法包括直接方法和變分法，在直接方法中將介紹費(fèi)米算子展開算法和Kernal多項(xiàng)式展開法。變分法將介紹密度矩陣最小化方法和局域軌道最小化方法。此外，也會(huì)介紹本論文使用的“Divide Conquer”方法。除線性標(biāo)度方法以外，對于大體系計(jì)算方法

3、還將介紹量子力學(xué)／分子力學(xué)方法和ONIOM方法。本論文在計(jì)算中選用1微米級(jí)別(5,5)碳納米管作研究對象。主要采用量子力學(xué)／分子力學(xué)方法，在計(jì)算具體量子力學(xué)部分時(shí)，采用“分而治之”方法。計(jì)算電荷分布時(shí)采用鏡像電荷模型和準(zhǔn)平衡態(tài)模型。分子力學(xué)部分使用經(jīng)典電學(xué)方法進(jìn)行電荷擬合。根據(jù)計(jì)算獲得電勢基于經(jīng)典場發(fā)射模型對發(fā)射電流進(jìn)行計(jì)算。 第三章主要討論閉合末端納米管的場發(fā)射理論研究。在具體模擬前，先根據(jù)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度設(shè)定合適的量子力學(xué)

4、部分長度，劃分格子中心和緩沖區(qū)的大小。計(jì)算中對管尖端區(qū)域的勢壘，軸向電荷密度以及發(fā)射電流等進(jìn)行研究。根據(jù)計(jì)算有關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)射區(qū)電勢隨著溫度上升而勢壘緩慢下降，這一趨勢隨著外加場強(qiáng)削弱而變得明顯，相應(yīng)的軸向極化電荷密度衰減速度也隨著溫度上升而加快。這一趨勢在低外加場下更明顯。局域極化場強(qiáng)在外加場固定時(shí)接近常數(shù)。發(fā)射電流受到勢壘下降影響，在低場強(qiáng)下隨溫度上升增加速度加快。對于這些結(jié)果，本論文認(rèn)為是體相極化電荷在溫度升高時(shí)激發(fā)到高能級(jí)尖端區(qū)域的

5、空軌道，從而使尖端區(qū)域勢壘削弱。在外加場強(qiáng)比較高時(shí)，場效應(yīng)占主要因素。 第四章主要討論開口末端碳納米管場發(fā)射理論模擬。開口末端碳納米管在軸向電勢和極化電荷密度等參數(shù)上，具有類似閉合末端碳納米管的溫度效應(yīng)，但是受到結(jié)構(gòu)制約，沒有閉合末端納米管顯著。由垂直于開口末端軸線的電荷分布顯示，開口末端納米管有關(guān)電荷主要集中在尖端區(qū)域表面。不同半徑的平行軸心方向的電勢形狀具有相似特性?？臻g電荷密度對于局域電勢分布有相關(guān)影響。開口末端碳納米管由

6、于電子主要集中在表面，因而只能從表面末端發(fā)射。開口末端碳納米管場發(fā)射主要經(jīng)由末端碳原子的游離p軌道，限于末端有限的軌道數(shù)目和激發(fā)難度，開口末端碳納米管比閉合末端碳納米管發(fā)射困難。這一結(jié)果同實(shí)驗(yàn)接近。 第五章對目前方法中的不足之處給出說明。對于研究模型上，目前采用的準(zhǔn)平衡態(tài)模型限制發(fā)射過程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有必要采用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。對于場發(fā)射模型，單壁納米管的場穿透效應(yīng)沒有考慮，實(shí)驗(yàn)中采用的多壁碳納米管之間的靜電作用也有待