单、双原子空位缺陷对扶手椅型单层碳纳米管屈曲性能的不同影响

采用分子动力学方法,对完善和含缺陷扶手椅型单层碳纳米管进行轴向压缩的数值模拟,对比研究三种不同的温度环境下单、双原子空位缺陷对碳纳米管轴压变形性能的特殊影响.研究结果表明管壁缺陷显著降低了纳米管低温时的承载能力,由于单原子空位缺陷造成的特殊应力集中效应会引发纳米管过早发生局部屈曲,单原子缺陷管的屈曲强度反而小于双原子管的屈曲强度. 关键词： 分子动力学 碳纳米管 屈曲 缺陷     

碳纳米豆荚的导热分析

本文利用AIREBO势函数、L.J势函数和Green-Kubo线性响应理论,结合分子动力学平衡方法模拟了碳纳米豆荚热导率。研究表明,C60分子的运动有益于能量传输,导致碳豆荚热导率高于空碳管。随着温度升高,碳豆荚热导率先减小后增大。随着长度增长,碳豆荚热导率逐渐增大,并趋于稳定收敛;而管径越大,热导率收敛速度越快,收敛长度越小。对于扶手椅型(n,n)碳豆荚,n≥11时,C_(60)分子存在明显径向平移运动。碳豆荚热导率随着管径变大先降低后升高。碳豆荚热导率随C_(60)填充率的增大而升高;但当填充率达到100%,因为此状态下C_(60)分子的轴向平移运动突然消失,导致碳豆荚热导率突降。     

碳纳米锥力学特性的分子动力学研究

结合原子间短程作用势(Brenner势)和长程作用势(Lennard-Jones势),利用分子动力学方法对各种锥角的碳纳米锥进行拉伸和压缩实验,获得其载荷-应变关系曲线、受拉/压载荷极限、应变极限和构形演变等力学特性,并与等量原子组成的碳纳米管进行比较研究.研究结果表明,等量碳原子组成的碳纳米锥的受拉/压载荷极限随着锥角的增大先是增大后减小,受拉/压应变极限则随着锥角的增大而增大.与碳纳米锥相比,等量碳原子组成的碳纳米管的受拉/压载荷极限和应变极限显得既不突出也不逊色.在受压构形演化方面,与碳纳米管丰富的径向屈曲/扭转/侧向屈曲组合形变不同,112.88°和83.62°锥角的碳纳米锥受压沿轴向完美内陷,而60.0°和38.94°锥角的碳纳米锥受压发生侧向屈曲.     

双空位缺陷石墨纳米带的电子结构和输运性质研究

基于第一原理电子结构和输运性质计算,研究了585双空位拓扑缺陷对锯齿（zigzag）型石墨纳米带（具有椅型（armchair）边）电子结构和输运性质的影响.研究发现,585双空位缺陷的存在使得锯齿型石墨纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域于缺陷处的缺陷态能带,双空位缺陷的取向也影响其能带结构.另外,585双空位缺陷对能隙较小的锯齿型石墨纳米带输运性质的影响较大,而对能隙较大的锯齿型石墨纳米带影响很小,缺陷取向并不显著影响纳米带的输运性质. 关键词： 石墨纳米带 585空位缺陷 电子结构 输运性质     

扶手椅型石墨纳米带的双空位缺陷效应研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理电子结构和输运性质计算,研究了扶手椅型石墨纳米带（具有锯齿边缘）的双空位缺陷效应.研究发现：双空位缺陷的存在并没有改变石墨纳米带的金属特性,但改变了费米面附近的能带结构.同时,双空位缺陷的取向对石墨纳米带的输运性质有很重要的影响.对于奇数宽度的纳米带,斜向双空位缺陷使得石墨带导电性能减弱,而垂直双空位能基本保留原有的线性伏安特性,导电性能降低较少;对于偶数宽度的纳米带,斜向双空位缺陷会使石墨带导电性能明显增强,而垂直双空位缺陷则具有完整石墨带的输运性质. 关键词： 石墨纳米带 585双空位缺陷 电子结构 输运性质     

一维单原子链在碳纳米管研究中的应用

以一维单原子链为模型,讨论了五边形和原子空位两种缺陷对碳管振动性质的影响,定性地解释了这两种缺陷产生局域模式的原因.计算结果表明,由于五边形周围碳碳键的缩短使得力常数变大;与此类似,当原子空位存在时,空位处有效质量变小,且碳碳键长变短,这些都相当于在晶格中掺入了"轻杂质",会使得在完整晶格的振动模式的外侧出现一个新的局域振动模式.     

基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性

空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO(adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.     

缺陷对碳纳米管摩擦与运动行为的影响

本文采用分子动力学方法研究了公度、无公度情况下含空位、Stone-Thrower-Wales(STW)型缺陷的单壁碳纳米管(SWCNT)在石墨基底上的摩擦与运动行为.结果表明,公度时缺陷的存在导致了界面局部无公度,减小了摩擦.随着碳纳米管底部STW缺陷的增多,碳纳米管变形增大,侧向力波动的幅值减小,局部无公度性增强,摩擦减小.含空位缺陷的碳纳米管所受的摩擦力明显大于含STW缺陷的碳纳米管,原因在于含空位缺陷的碳纳米管在运动的后期出现了明显的翻转现象,增大了能量耗散.无公度时,碳纳米管与石墨基底间的摩擦力很小,缺陷对其摩擦力影响不大,原因在于无论是否含有缺陷,碳纳米管与石墨组成的界面的无公度性差别不大.     

氮掺杂和空位对石墨烯纳米带热导率影响的分子动力学模拟

石墨烯是近年纳米材料研究领域的一个热点,其独特的热学性质受到了广泛关注,为了实现对石墨烯传热特性的预期与可控,利用氮掺杂和空位缺陷对石墨烯进行改性.采用非平衡态分子动力学方法研究了扶手形石墨烯纳米带中氮掺杂浓度、位置及空位缺陷对热导率影响并从理论上分析了热导率变化原因.研究表明氮掺杂后石墨烯纳米带热导率急剧下降,氮浓度达到30%时,热导率下降了75.8%;氮掺杂位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先近似的呈线性下降后上升;同时发现单原子三角形氮掺杂结构比多原子平行氮掺杂结构对热传递抑制作用强;空位缺陷的存在降低了石墨烯纳米带热导率,空位缺陷位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先下降后上升,空位缺陷距离冷浴边缘长度相对于整个石墨烯纳米带长度的3/10时,热导率达到最小.石墨烯纳米带热导率降低的原因主要源于结构中声子平均自由程和声子移动速度随着氮掺杂浓度、位置及空位缺陷位置的改变发生了明显变化.这些结果有利于纳米尺度下对石墨烯传热过程进行调控及为新材料的合成应用提供了理论支持.     

空位缺陷对碳纳米管/石墨烯纳米带导热的影响

本文利用分子动力学方法研究空位缺陷对碳纳米管和石墨烯纳米带导热特性的影响,并分析声子态密度、声子模式参与率探究导热机理。研究表明:空位缺陷引起碳管和纳米带热导率降低,在200～600 K的温度范围内,碳管和纳米带热导率的下降幅度分别可达47.57%、38.84%.碳管和纳米带热导率的降低归因于声子态密度衰减且声子模式参与率较小.由于边界散射作用削弱了缺陷对纳米带热导率的影响,纳米带热导率的降低幅度低于碳管.     

2004年第12期《物理》内容预告

研究快讯时域统计分析在疾病传播动力学中的应用 (熊诗杰 ) ;单壁碳纳米管单原子空位缺陷的紧束缚理论研究 (陆爱江　等 ) .评述高温超导机制研究近期重要进展 (韩汝珊 ) ;地球的层圈结构、力学性质和地幔矿物的高压相变 (白武明　等 ) ;纳米光学和生物单分子探测 (白永强等 )     

径向双氮掺杂小口径单壁碳纳米管能带结构压缩应变响应研究

采用基于密度泛函的第一性原理方法对径向C-C键两端进行双氮原子替位掺杂的小口径锯齿型单壁碳纳米管模型进行能带结构压缩应变响应研究。径向双氮掺杂对锯齿型小口径碳纳米管能带结构产生剧烈的影响,使得能较好保持金属性的(4,0)和(5,0)碳纳米管带隙打开。内禀金属性的(3,0)和(6,0)碳纳米管带隙能够通过氮掺杂和压缩应变对其电子结构产生影响。结果表明,结合径向双氮掺杂及压缩应变两种方式能够有效地对强烈键杂化效应引发的金属小口径锯齿型单壁碳纳米管产生丰富的带隙调制行为。这在碳纳米管基纳机电系统的应用和设计上有潜在的应用价值。     

空位结构缺陷对C纳米管弹性性质的影响

用分子动力学方法对不同空位缺陷的扶手椅型与锯齿型单壁C纳米管杨氏弹性模量进行了计算和分析. 结果表明：扶手椅型（5, 5）, （10,10）和锯齿型（9, 0）, （18, 0） 纳米管在无缺陷时其杨氏模量分别为948,901和804,860 GPa. 随管径的增大,扶手椅型和锯齿型单壁C纳米管弹性模量分别减小和增大,表现出完全不同的变化规律. 随着C纳米管中单点空位缺陷的均匀增加,杨氏模量下降,当缺陷比率增加到一定程度时,杨氏模量下降骤然趋缓,形成一下降平台;双空位缺陷对C纳米管杨氏模量的影响与其分布方向有关;随单点空位缺陷间原子数的增加,在轴向上,杨氏模量下降到某一值小幅波动,而在周向上杨氏模量先下降,然后上升到某一稳定值. 随两单点空位缺陷的空间距离进一步增大,杨氏模量又呈微降趋势. 通过分子间σ键与π键特征及缺陷间近程电子云耦合作用规律与空位缺陷内部5-1DB缺陷的形成特点等理论对上述规律进行了分析. 关键词： 空位缺陷 C纳米管 分子动力学 杨氏模量     

碳纳米管负载矾的第一性原理研究

本文基于密度泛函第一性原理研究了原始和带有缺陷的(Stone-Wales缺陷和单空位缺陷)碳纳米管负载金属V的稳定构型.对于V吸附在原始碳纳米管(CNT)上时,V在内表面的吸附比外表面的吸附有更强的相互作用力,且六元环内表面结构最稳定.当V与Stone-Wales缺陷碳纳米管相互作用时,V原子易吸附在管外七元环C-C键的外表面和内表面处,这说明缺陷位置的有效结合使之局域化加强.而以单空位缺陷碳纳米管为载体时V最易吸附在外缺陷处,相当于碳纳米管的一个C被金属V原子取代,形成了3个V-C_(sur)键,这进一步表明SV管外吸附比管内吸附更容易.我们从上述三种构型载体中发现,金属V吸附在缺陷碳纳米管时的稳定性要优于原始碳纳米管,且SV缺陷对金属V的固定效果最好.     

石墨和纳米碳中缺陷和电子密度随温度的变化

测量了石墨和纳米碳在不同温度下的正电子寿命谱,研究了石墨和纳米碳中缺陷和电子密度随温度的变化.结果表明,纳米碳中缺陷的开空间和缺陷浓度分别大于和高于石墨晶体;纳米碳的平均自由电子密度低于石墨晶体.当温度从25K升至295K时,石墨和纳米碳中的平均自由电子密度随温度的升高而下降:石墨晶体中的自由电子密度随温度的升高变化较小;纳米碳的自由电子密度随温度的升高变化较大.随着温度的升高,石墨和纳米碳中的热空位数量增多,而且这些空位可迁移至微孔洞的内表面使微孔洞的开空间增大.     

空位缺陷对单层硅烯薄膜力学性能的影响

采用基于分子动力学理论的Forcite模拟软件包对含不同浓度的单、双空位缺陷硅烯薄膜的超晶胞体系进行优化,并对其力学性能进行了计算和分析.结果表明:随着空位缺陷浓度的增加,硅烯薄膜的拉梅常数、泊松比、体弹模量和剪切模量呈线性递减趋势,而由于空位缺陷附近键长的缩减导致硅烯薄膜"硬化"与空位缺陷浓度的增加导致硅烯晶格中硅原子密度降低,两种体制的竞争使得硅烯杨氏模量表现出先升高在降低的趋势.     

Matlab编程的Hückel分子轨道法计算研究掺杂纳米碳管的化学反应性（英文）

使用Matlab自编简单Hückel分子轨道法(SHMO)计算程序,分析空位、Stone-Wales缺陷位、N和B原子掺杂的CNT(5,5)碳纳米管,计算π电子密度和前线分子轨道(HOMO和LUMO)为研究掺杂相对碳纳米管的化学反应性提供依据.具有不同电特性的掺杂相打破了碳纳米管的π电子、HOMO和LUMO的均衡分布.掺杂相和/或邻近的碳原子为HOMO或LUMO贡献了较其它原子更大的轨道系数,在不同的化学反应中表现出良好的亲核性或亲电性.此外,HOMO-LUMO能量差很好地反映了掺杂纳米碳管的导电性.计算结果与已报道的实验和理论结果吻合良好.     

Matlab编程的Hückel分子轨道法计算研究掺杂纳米碳管的化学反应性

使用Matlab自编简单Hückel分子轨道法（SHMO）计算程序,分析空位、Stone-Wales缺陷位、N和B原子掺杂的CNT（5,5）碳纳米管,计算π电子密度和前线分子轨道（HOMO和LUMO）为研究掺杂相对碳纳米管的化学反应性提供依据.具有不同电特性的掺杂相打破了碳纳米管的π电子、HOMO和LUMO的均衡分布.掺杂相和/或邻近的碳原子为HOMO或LUMO贡献了较其它原子更大的轨道系数,在不同的化学反应中表现出良好的亲核性或亲电性.此外,HOMO-LUMO能量差很好地反映了掺杂纳米碳管的导电性.计算结果与已报道的实验和理论结果吻合良好.     

碳纳米管振荡的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,模拟了三种碳纳米管振荡器内管的振荡运动.结果显示：振荡器的内管越短,振荡的频率越大,且受到的轴向回复力的波动也越大.内管在沿着管轴振荡的同时,还绕着管轴旋转,转动的动能有明显涨落并与内管管长密切相关.该研究对于开发碳纳米管的相关应用技术有指导意义. 关键词： 分子动力学模拟 多壁碳纳米管 振荡     

单原子Al修饰空位缺陷V2C（MXene）对H2气体表面吸附的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法,对含空位缺陷的V₂C(MXene)在不同位点修饰单原子Al的相关性能进行系统研究.研究表明,几何优化后得到含空位缺陷的V₂C稳定结构表面能为-3075.53 J/m²,单原子Al修饰本征V₂C单原子的吸附能为1.5511eV、单原子Al修饰空位缺陷V₂C的吸附能为-2.0763 eV,这表明含空位缺陷的V₂C,由于单原子Al的修饰可以明显改善晶体结构稳定性.进一步从态密度、分波态密度、吸氢能力研究发现,各体系态密度和分波态密度均出现分波越过费米能级的现象,表现出较强的金属性;V₂C吸附H₂气体分子吸附能为-7.5867 eV,而空位缺陷V₂C和单原子Al修饰空位缺陷V₂C两个体系对H₂气体分子的吸附能仅为-0.9851 eV、-2.7130 eV,均未能进一步改善V₂C对H₂气体分...