三角形石墨烯纳米片电子和磁学性质的尺寸效应

基于密度泛函理论, 本文研究了氢钝化锯齿形边缘三角形石墨烯纳米片的电子结构和磁学性质, 这种石墨烯纳米结构的基态表现出强烈的磁性边缘态和量子尺寸效应。 我们应用多种交换关联泛函, 对体系的自旋密度和电子结构进行了第一性原理计算和理论分析, 结果表明三角形石墨烯纳米片的总磁矩和自旋随尺寸线性变化,平均磁矩随着尺寸变大而增加, 并逐渐趋于一个定值。 与此同时, 体系的能隙随着尺寸增加而减小, 其中自旋不变能隙的调控对光学响应和光子激发有着重要意义。 计算得到的单电子能谱表明, 费米能级的简并度与体系尺寸成正比。 应用多种交换关联泛函的计算结果表明, 三角形石墨烯纳米片具有可调控的自旋和能隙, 为其在纳米级光电器件和磁性半导体的应用方面提供了理论依据.     

强耦合串联石墨烯纳米机械振子

与微米机械振子相比, 纳米机械振子使用纳米级材料制备, 尺寸更小, 质量更轻, 它作为探测器, 在探测力、质量等物理量时拥有更高的灵敏度. 石墨烯有高强度、 低密度等优良的机械特性, 被认为是制备纳米机械振子的理想材料. 基于其制备的石墨烯纳米机械振子有着高谐振频率、高品质因子和谐振频率可调性高等优势, 对于纳米力学的基础研究和应用都具有重要的意义. 本文利用微纳加工工艺(包括电子束曝光、 电子束蒸发镀膜、 反应离子刻蚀和微米级定点干法转移技术)制备了串联石墨烯纳米机械振子样品, 并在极低温下(10 mK) 测量了石墨烯机械振子的机械性质, 实现两个串联石墨烯纳米机械振子的强耦合, 耦合强度为1.34 MHz, 协同系数C = 399.     

单层MoS_2的热弹耦合非线性板模型

单层二硫化钼(MoS_2)是有广泛应用前景的二维纳米材料,但其力学性质还没有被深入研究,特别是其热弹耦合力学行为迄今还没有被关注到.本文首次提出了考虑热应力影响的单层MoS_2的非线性板理论,并对比研究了其与石墨烯的热弹耦合力学性质.对于不可移动边界,结果显示:1)有限温度产生的热应力降低了MoS_2的刚度,但提高了石墨烯的刚度; 2)在相同几何尺寸和温度条件下,变形较小时MoS_2的刚度大于石墨烯,但伴随变形的增大,MoS_2的刚度将小于石墨烯.研究结果表明,边界预加轴向外力和环境温度可以调节单层二维纳米结构力学性质.本文建立的热弹耦合板模型,可以推广至其他单层二维纳米结构.     

单壁碳纳米管受限空间内水的分布

碳纳米管管腔作为分子物质的纳米通道,其储存或输送水的能力具有重要研究价值.为了研究碳纳米管管腔受限空间对水分子团簇结构和分布的影响,本文采用分子动力学方法探究了管径、手性和温度对单壁碳纳米管管腔内水的结构和分布的影响.结果表明:在常温下,管径尺寸范围为1.018—1.253 nm的单壁碳纳米管管内易形成有序的多元环水结构,此范围以外碳纳米管管内难以形成水的有序结构;且随着管径尺寸增大,多元环水呈现由三元环至六元环的结构变化;范德瓦耳斯势分布分析表明,在上述管径范围内,水分子趋向于贴近碳纳米管管壁分布而形成水的有序结构.对比管径尺寸差别较小的碳纳米管,其手性对多元环水结构影响不大.多元环水结构的稳定性表现出温度依赖性,管径较大的碳纳米管内的多元环水的有序结构更易随温度升高而消失.     

石墨烯碳纳米管复合结构渗透特性的分子动力学研究

采用经典分子动力学方法研究了压力驱动作用下水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透特性.研究结果表明,水分子渗透通过石墨烯碳纳米管复合结构的渗透率明显高于石墨烯碳纳米管组合结构.水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透率随着压强的升高而增大,随着电场强度的增大而减小.考虑了温度和复合结构中双碳管轴心距对水渗透性的影响规律.系统温度越高,水的渗透率越高;随着双碳管轴心距的增加,水的渗透率逐渐降低.通过计算分析水流沿渗透方向的能障分布,解释了各参数变化对水在石墨烯碳管复合结构中渗透特性的影响机理.研究结果将为基于石墨烯碳管复合结构的新型纳米水泵设计提供一定的理论依据.     

氧化石墨烯/壳聚糖复合薄膜材料的制备及其非线性光限幅效应的研究

石墨烯及其衍生物作为新型碳纳米结构,由于其优异的光限幅性能而受到广泛关注,但现有的工作多侧重于其在液相体系中光限幅效应及其起因研究.本文以壳聚糖为成膜基质,将氧化石墨烯(GO)与壳聚糖(CS)在液相中均匀共混后成膜,对比研究GO溶液和GO-CS复合膜的光限幅效应及其起因.结果表明在线性透过率相同的情况下,GO在固相基质中表现出比液相基质更强的光限幅效应和更弱的非线性散射.这说明不同于碳纳米管简单的非线性散射,在GO中可能存在多种非线性光学效应.     

氧化石墨烯纳米剪裁方法

石墨烯纳米剪裁先进方法的研究对于基于石墨烯的电子和光学设备非常重要。本文利用模板法制作反蛋白石结构,并借助反蛋白石纳米网结构,利用光催化还原氧化石墨烯,对氧化石墨烯进行纳米剪裁,形成具有纳米尺度的石墨烯。对还原后的氧化石墨烯表面进行扫描电子显微镜表征和红外光谱表征,并研究剪裁后石墨烯的电学性质。实验表明,反应时间、胶粒大小都会对剪裁后氧化石墨烯的周期和颈宽有影响,进而影响还原后氧化石墨烯的电学性质。利用纳米网状结构对石墨烯进行纳米剪裁是一种可行的方法,通过控制模板尺寸和反应条件可以控制裁剪后的性质。     

品质因子可调的石墨烯纳米机械振子

纳米机械振子尺寸小,质量轻,可以用来制作探测力、质量等微小物理量的超灵敏探测器.石墨烯拥有质量轻、密度低和杨氏模量高等特性,被认为是制作纳米机械振子的理想材料.石墨烯纳米机械振子因其具有的谐振频率高、品质因子高和谐振频率可调性高等优势,近年来得到了人们的广泛关注.作为表征纳米机械振子性能的一个重要指标,品质因子越高,意味着纳米机械振子耗散越低,纳米机械振子的灵敏度越高.本文通过微纳加工的工艺制备出一种谐振频率随栅压可调(调节的范围为73MHz~90MHz)的石墨烯纳米机械振子样品,研究其在极低温高真空环境下的品质因子与栅极电压之间的关系.实验表明通过栅压调节振子的内部应力,能够使石墨烯纳米机械振子品质因子从220提高到1000.我们的结果为二维材料纳米机械振子的耗散研究提供了一种新的研究思路.     

纳米材料热传导中的新奇物理效应

纳米尺度热传导是物理科学、材料科学和工程热物理等相关学科的研究热点。除基础研究上的意义外,这个方向的研究在微纳米器件温度控制、新能源、热防护等重大工程技术领域也有着重要的应用价值。文章主要介绍一维、二维纳米材料(包括纳米管、纳米线、石墨烯及其他二维材料)的热传导性质。由于篇幅所限,文章集中讨论在低维体系热传导中的新奇物理效应,如碳纳米管热导率随长度的发散行为,硅纳米线中的声子相干性,以及石墨烯热传导性质的尺寸效应。文章侧重强调低维纳米材料热传导与宏观体材料热传导特性的本质区别。     

碳纳米管受限空间对共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)链段运动行为的影响

在纳米受限空间中,高分子往往会表现出与本体状态不同的性质,如异常的链段运动特性及晶相间转变行为等,这些性质对于研究和开发新型高分子材料具有重要的意义,因此针对受限环境下高分子的物理化学特性研究也一直是高分子界关注的焦点.本文通过化学气相沉积法制备垂直取向排列的多壁碳纳米管阵列,借助溶剂润湿–收缩法获得规整的高密度阵列结构,其取向排列的碳纳米管间隙形成了准一维的纳米受限空间,尺寸在5—50 nm尺度下可调.进一步将共轭高分子聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)填充到碳管间隙的纳米空间中,制备PFO与取向多壁碳纳米管阵列复合膜.结果发现在碳纳米管形成的纳米受限空间中,PFO的链段热运动行为与本征态PFO薄膜相比受到了明显的抑制,不同晶型间转变速度大大减缓,提高了构象的热稳定性,同时取向排列的碳纳米管对PFO分子链取向排列分布具有明显的诱导作用,有利于获得高性能的PFO晶体.这种高密度取向排列的碳纳米管阵列结构未来可以用于制备优良发光性能及高稳定性的PFO光电器件.     

导电石墨烯孔道内双电层结构的研究

为有效开发和利用新能源,人们迫切需要高性能的超级电容器提供能量的存储和转换.在超级电容器中双电层结构扮演着关键性的角色.本文利用分子动力学方法通过建立开放的石墨烯纳米孔道(1～2 nm),研究了KCl溶液在纳米孔道内的双电层结构,同时也比较了恒电量模拟(Q)和恒电势模拟法(U)下双电层结构的异同.结果表明在恒电势模拟法考虑了导电石墨烯壁的镜像作用使结果更符合实验中的材料系统.而石墨烯壁的镜像作用能额外吸附离子从而增强孔道内部的阴阳离子,这可能有助于电极电容的提升.通过对不同孔道高度的研究,本文发现水分子作为介电材料在水基超级电容器中发挥着决定性的作用.它能在很大程度上抵消不同离子和不同孔道高度下双电层的变化,从而在不同情况下获得了相似的电容.     

Electronic properties and quantum transport in Graphene-based nanostructures

Carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs) represent a novel class of low-dimensional materials. All these graphene-based nanostructures are expected to display the extraordinary electronic, thermal and mechanical properties of graphene and are thus promising candidates for a wide range of nanoscience and nanotechnology applications. In this paper, the electronic and quantum transport properties of these carbon nanomaterials are reviewed. Although these systems share the similar graphene electronic structure, confinement effects are playing a crucial role. Indeed, the lateral confinement of charge carriers could create an energy gap near the charge neutrality point, depending on the width of the ribbon, the nanotube diameter, the stacking of the carbon layers regarding the different crystallographic orientations involved. After reviewing the transport properties of defect-free systems, doping and topological defects (including edge disorder) are also proposed as tools to taylor the quantum conductance in these materials. Their unusual electronic and transport properties promote these carbon nanomaterials as promising candidates for new building blocks in a future carbon-based nanoelectronics, thus opening alternatives to present silicon-based electronics devices.     

The structure and dynamics of water inside armchair carbon nanotube

In this paper we present some simulation results about the behaviour of water molecules inside a single wall carbon nanotube (SWNT). We find that the confinement of water in an SWNT can induce a wave-like pattern distribution along the channel axis, similar phenomena are also observed in biological water channels. Carbon nanotubes(CNTs) can serve as simple nonpolar water channels. Molecular transport through narrow CNTs is highly collective because of tight hydrogen bonds in the protective environment of the pore. The hydrogen bond net is important for proton and other signal transports. The average dipoles of water molecules inside CNTs (7,7), (8,8) and (9,9) are discussed in detail. Simulation results indicate that the states of dipole are affected by the diameter of SWNT. The number of hydrogen bonds, the water--water interaction and water--CNT interaction are also studied in this paper.     

低维限域结构中水与物质的输运

低维限域结构中水与物质的输运研究,对于解决界面化学和流体力学中的遗留问题十分关键.近年来,研究人员采用分子动力学模拟和实验手段研究低维限域结构中水与物质的输运,并将其应用于物质输运、纳米限域化学反应、纳米材料制备等领域.本文从理论和实验的角度总结一维和二维纳米通道的水与物质输运,介绍了本研究组提出的"量子限域超流体"概念,并用于解释纳米通道中超快物质的输运现象;在此基础上概述了一维纳米通道中的分子动力学模拟和水浸润性,以及外部环境(如温度和电压)对限域结构中水浸润性的调控,同时阐述了低维限域结构中的液体输运;对二维纳米通道中的分子动力学模拟、液体浸润性以及液体输运进行了综述;讨论了纳米通道限域结构在物质输运、纳米限域化学反应和纳米材料制备等领域的应用;对低维限域结构中水与物质输运面临的挑战和前景进行了展望.     

Gating of Water Flow Induced by Bending of a Carbon Nanotube

The ON-OFF state transition of the water transport induced by the structural bending of a carbon nanotube is studied by molecule dynamics simulation. The water permeation through a bent carbon nanotube shows excellent gating property with a threshold bending angle of about 14.6°. We also investigate the water density distribution inside the nanochannel to illustrate the mechanism.     

Functionalization of carbon nanotubes/graphene by polyoxometalates and their enhanced photo-electrical catalysis

Carbon nanotubes and graphene are carbon-based materials, which possess not only unique structure but also properties such as high surface area, extraordinary mechanical properties, high electronic conductivity, and chemical stability.Thus, they have been regarded as an important material, especially for exploring a variety of complex catalysts. Considerable efforts have been made to functionalize and fabricate carbon-based composites with metal nanoparticles. In this review,we summarize the recent progress of our research on the decoration of carbon nanotubes/graphene with metal nanoparticles by using polyoxometalates as key agents, and their enhanced photo-electrical catalytic activities in various catalytic reactions. The polyoxometalates play a key role in constructing the nanohybrids and contributing to their photo-electrical catalytic properties.     

单壁碳纳米管能带及其电子特性研究

从能带理论出发,采用电子紧束缚能量色散关系,推导锯齿,扶手椅和手性单壁碳纳米管(SWCNT)的电子能带结构表达式,指出单壁碳纳米管或为金属或为半导体的判据。结果表示:单壁碳纳米管的电子结构与其几何结构密切相关,如扶手椅型单壁碳纳米管是金属性的,而对其它类型的单壁碳纳米管是与碳纳米管的手性指数有关,只有手性指数n和m的差别等于3的倍数时,单壁碳纳米管是金属性的,否则会显出有带隙的半导体特性。这意味着单壁碳纳米管是由特殊的电子传输和光学性质,在纳米电子学领域具有巨大的潜在应用价值。     

碳纳米管阵列水渗透性质的研究

碳纳米管阵列组成的碳纳米管分子膜在生物学分子器件等方面有重要应用. 本文利用分子动力学方法计算研究水分子对(11, 11)碳纳米管阵列的渗透过程. 结果发现, 只有当阵列间隙面积大于57.91 Ų时, 水分子才能进入阵列间隙中, 并揭示了碳管内部、阵列间隙内水分子结构随相邻碳管间距变化的演化趋势以及管内外水分子电偶极矩的分布特性.     

低偏压下单层碳纳米管的输运特征

系统地计算了各种手性碳纳米管最低导带的电子速度和有效质量的变化规律,在此基础上推断手性碳纳米管低偏压下的输运特征,计算表明:在低偏压电子输运时,同一系列(手性角相同)的各种手性金属碳纳米管的输运性质相同,与管径无关,但不同系列的手性金属碳纳米管的输运性质有明显区别;而同一系列的各种手性半导体型碳纳米管的输运性质有一定差异,但不同系列的手性半导体型碳纳米管的输运性质有着显著差异.这一结果说明:碳纳米管在低偏压下的输运特征与系列有着密切的关系,手性角是决定各种碳纳米管在低偏压下具有不同输运性质的最关键的几何参 关键词： 碳纳米管 手性角 电子速度 有效质量     

Issues with characterizing transport properties of graphene field effect transistors

The transport properties of graphene field effect transistors are typically characterized using a conventional test structure consisting of graphene on silicon dioxide with deposited metal contacts. Two of the primary parameters affecting the total resistance of this structure are the channel mobility and contact resistance. A simple model is used to describe the impact of these parameters on total device resistance and experimentally extract them. Important issues related to characterizing the transport properties of graphene field effect transistors are presented and discussed.