多尺度耦合方法對碳納米管場致發(fā)射機(jī)制的模擬.pdf

1、由于碳納米管具有非常大的長-徑比，按照傳統(tǒng)的經(jīng)典理論它可能具有極大的場增強(qiáng)因子，這潛在的優(yōu)勢促使了人們對碳納米管場致發(fā)射理論和實(shí)驗(yàn)的研究?；诹孔踊瘜W(xué)的數(shù)值模擬是研究物性的一個(gè)優(yōu)秀的工具，理論上，它能通過解出薛定鄂方程的解，從而得到描述此物質(zhì)的波函數(shù)。對于一個(gè)比較大的體系來說，嚴(yán)格求解薛定鄂方程的意義不大，況且須時(shí)很長。半經(jīng)驗(yàn)方法于此是一個(gè)中庸之道，它的精度在普通計(jì)算物性來說已經(jīng)足夠，而它所需要的時(shí)間要比完全的第一性原理要少很多。然而，

2、一根碳納米管包含幾萬甚至幾十萬的原子，即使應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)方法也不能對它做整體的描述。多尺度耦合計(jì)算方法，是近年來針對大分子物性研究興起的。 利用多尺度和分而治之的方法，對不同電場中手性為(5，5)，管尖用半個(gè)足球烯飽和的單壁碳納米管場致發(fā)射進(jìn)行了模擬，得到了可與實(shí)驗(yàn)比擬的電場-電流曲線，總結(jié)出碳納米管不同于一般宏觀材料的發(fā)射機(jī)理。雖然理論和對無限長的碳納米管的模擬都證明，(5，5)管是一種金屬性納米管，然而模擬的結(jié)果顯示，單壁的碳納

3、米管能屏蔽管身的大部分電場，管尖部分卻不能被完全屏蔽。管尖金屬性的下降導(dǎo)致了勢壘隨電場的增大而降低，盡管管尖處的外場仍然得到增強(qiáng)，但模擬得到的場增強(qiáng)因子只有大約經(jīng)典金屬理論預(yù)言的1/3，勢壘的降低和場的增強(qiáng)共同塑造了碳納米管優(yōu)秀的場發(fā)射特性。 單壁碳納米管的直徑只有大約1個(gè)納米，尖端的電子結(jié)構(gòu)對場致發(fā)射特性必然有極其重要的影響。不同的實(shí)驗(yàn)上對尖端吸附氫原子碳納米管發(fā)射特性的優(yōu)劣得到結(jié)論并不一致，這與實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法有很大關(guān)系。不僅

4、如此，理論上的研究也得到截然不同的結(jié)果，這與討論角度和所作近似有關(guān)．我們對尖端吸附了氫原子的碳納米管和尖端用半個(gè)足球烯飽和的閉口碳納米管進(jìn)行了對比研究．由于尖端吸附的不同原子的極性不同，兩者的勢壘形狀很不相同。電子通過遂穿效應(yīng)穿過勢壘而發(fā)射，勢壘的高低厚薄直接導(dǎo)致發(fā)射性能的不同。在這個(gè)比較中，氫飽和的開口碳納米管由于碳一氫鍵的極化，氫原子在管尖形成一個(gè)負(fù)電中心，削弱了勢壘，電子比較容易發(fā)射；而用半個(gè)足球烯飽和的閉口碳納米管，由于石墨層被

5、高度彎曲，原子間的距離緊密，電子具有相互排斥特性，因此管尖的π鍵伸出管外，在管外的正前方形成正電中心，提高了勢壘。因此氫飽和的開口碳納米管的發(fā)射性能比閉口管優(yōu)秀．場致發(fā)射的經(jīng)典理論為Fowler-Nordheim(FN)理論，建立在準(zhǔn)平衡近似上的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不夠潔凈的碳納米管在高電流區(qū)域的發(fā)射電場-電流曲線(Ⅳ曲線)會偏離傳統(tǒng)的FN直線．若要考慮非平衡的效應(yīng)，出射電流在數(shù)值上要跟費(fèi)米面的變化自洽，在模擬中需要格外一個(gè)迭代過程來實(shí)現(xiàn)。在真