B、N原子掺杂超长扶手椅型碳纳米管的GTOs-PBC方法研究

使用密度泛函B3LYP/3-21G*方法,并用周期边界条件模型,计算了B、N掺杂纳米管的结构参数、掺杂能量、能带结构和能隙.研究表明,碳纳米管掺杂B、N原子后,能隙均增大,变为半导体.B原子掺杂的碳纳米管具有直接带隙,而N原子掺杂则具有间接带隙,B掺杂的(6,6)和(9,9)管以及N掺杂的(6,6)和(9,9)管的能隙...     

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构. 由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷, 本文也采用DFT+U(Hubbard 系数)方法对模型的电子结构进行了计算. DFT的计算结果表明N掺杂后, N 2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低, 而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响. DFT+U的计算却给出截然不同的结果, N掺杂并没有导致带隙能的降低, 而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级, 反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低. DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.     

N／F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2（101）表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构.由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷,本文也采用DFT+U(Hubbard系数)方法对模型的电子结构进行了计算.DFT的计算结果表明N掺杂后,N2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低,而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响.DFT+U的计算却给出截然不间的结果,N掺杂并没有导致带隙能的降低,而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级,反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低.DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.     

Pt掺杂碳纳米管吸附气体小分子的DFT计算

利用B3LYP/LANL2DZ方法对Pt掺杂(5,5)单壁碳纳米管(SCNT)吸附SO₂, HCHO和CO₂三种气体小分子进行了详细的理论计算. 通过分析吸附气体分子前后Pt掺杂SCNT的几何结构、电子态密度变化、前线轨道成分HOMO-LUMO能隙和红外光谱特征, 给出了SCNT-Pt是否有潜力检测这三种气体分子的理论依据.     

硼氮纳米管导电性与成键性的理论研究

用密度泛函的B3LYP方法对zigzag型(N,0)和armchair型(N,N)硼氮纳米管(N=4,5,6)进行了理论计算,根据其能带结构、态密度和健级讨论了四硼氮纳米管的成健作用和导电性,并与碳纳米管做比较.     

扶手椅型单壁碳纳米管的理论研究

用半经验的AM1和PM3 方法,对不同长度的扶手椅型单壁碳纳米管(3,3)进行了理论研究.讨论了其几何结构、前线轨道的分布情况和红外光谱.结果表明:碳纳米管中的六边形不再像石墨中的六边形,而是发生了变形;从碳纳米管的中间到两端,各层碳原子在前线轨道中的轨道系数的平方和呈现规律性衰减的锯齿状变化;用AM1方法计算得扶手椅型单壁碳纳米管(3,3)的红外特征吸收波数约在1290～1645cm^-1之间.     

硼氮掺杂的碳纳米管对硫化氢气敏性能的理论研究

应用密度泛函理论研究了纯(8, 0)单壁碳纳米管(SWCNT)和B原子、N原子以及BN原子对掺杂的(8, 0) SWCNTs对硫化氢气体分子的传感性质. 计算结果表明, 与纯碳纳米管相比, B原子掺杂的SWCNT显示了对H₂S分子的敏感性, 其几何结构和电子性质在吸附H₂S分子后发生了显著变化; 而N原子和BN原子对的掺杂没有改善SWCNT对H₂S分子的吸附性能, 因此我们建议B原子掺杂的SWCNT作为检测H₂S分子的新型气相传感器.     

B掺杂SWCNT表面吸附DNA碱基的理论研究

采用基于密度泛函理论的LDA (PWC)方法对比研究了纯单壁纳米碳管(SWCNT)和B掺杂单壁碳纳米管(B doped SWCNT)表面吸附DNA碱基(腺嘌呤)A、(胸腺嘧啶)T、(胞嘧啶)C、(鸟嘌呤)G的吸附特性和本质, 计算研究了最佳吸附位点, 吸附能, 以及稳定吸附模型的电子结构. 结果表明掺杂元素B的引入不会造成SWCNT的结构畸变, 可以局部影响碳纳米管的电子结构, 有效增强SWCNT与DNA碱基之间的电子相互作用, DNA碱基以化学吸附的形式修饰在B掺杂SWCNT的表面. 研究结果预示B掺杂SWCNT表面修饰DNA碱基有潜力成为DNA生物传感器生物识别界面的主要成分.     

掺杂碳纳米管对五氯酚吸附作用的理论研究

为了寻找检测高毒性、持久性有机污染物五氯酚(PCP)的新型材料,应用密度泛函理论研究了(8,0)和(5,5)单壁碳纳米管(SWCNT)以及相应的Si、B和N掺杂的SWCNT对PCP分子的吸附性能.计算结果表明,(8,0)和(5,5)SWCNT与PCP分子之间为物理吸附;Si原子掺杂(8,0)和(5,5)SWCNT,引起了碳纳米管掺杂部位六元环的畸变,增强了SWCNT的反应活性,掺杂后的SWCNT对PCP分子形成化学吸附,其几何结构和电子性质发生了显著变化;B和N原子掺杂的SWCNT对PCP分子的吸附没有明显增强.Si原子掺杂的SWCNT最有潜力用于检测PCP分子.     

椅型碳纳米管吸附氧原子的密度泛函理论研究

利用密度泛函B3LYP对有限长扶手椅形单壁碳纳米管(3,3),(4,4)和(5,5)吸附O原子的几何结构、电子属性、反应能和红外光谱进行了系统地理论研究,获得了一些有意义的结果,主要包括如下4个方面:(1)2个O原子吸附在管外壁垂直于管轴的C—C键形成开环的轮烯结构,吸附在管内壁形成环氧结构;(2)O原子吸附在管外壁要比吸附在管内壁具有较大的能隙和吸附反应能;(3)与单壁碳纳米管管外壁吸附1个O原子相比,2个O原子吸附在管外壁具有较大的吸附反应能;(4)B3LYP得到的C—O伸缩振动频率与实验一致.     

Effect of impurity on electronic properties of carbon nanotubes

We have studied the effect of impurity on electronic properties of single-walled carbon nanotubes using Density Functional Theory. Electronic band structures and density of states of (4, 4) and (7, 0) carbon nanotubes in the presence of different amount of B and N impurities were calculated. It was found that these impurities have significant effect on the conductivity of carbon nanotubes. The metallic (4, 4) nanotube remains to be metallic after doping with B and N. The electronic properties of small gap semiconducting (7, 0) tube can extensively change in the presence of impurity. Our results indicate that B-doped and N-doped (7, 0) carbon nanotubes can be p-type and n-type semiconductors, respectively.     

A theoretical study of the dihydrogen molecule confined inside carbon nanotubes

The aim of this work is to better understand the interaction between the confined dihydrogen molecule and armchair (2,2), (3,3) (4,4), (5,5), and (6,6) single‐walled carbon nanotubes (SWNT) using Restricted Hartree–Fock (RHF) and Density Functional Theory (DFT) methods using B3LYP and CAM‐B3LYP functionals. Depending on the calculation method and its orientation inside the nanotube, H₂ binds differently. We found that H? H bond length increases when H₂ is trapped in CNT (2,2) and decreases for CNT (3,3) and (4,4). The characteristics of confined H₂ in (5,5) and (6,6) nanotubes are similar to H₂ in a free state. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.     

Atomic-scale deformation in N-doped carbon nanotubes

We present the N-doping induced atomic-scale structural deformation in N-doped carbon nanotubes by using density functional theory calculations. For substitutional N-doped nanotube clusters, the N dopant with an excess electron lone pair exhibits the high negative charge, and the homogeneously distributed dopants enlarge the tube diameter in both zigzag and armchair cases. On the other hand, in pyridine-like N-doped ones, the concentrated N atoms result in a positively curved graphene layer and, thus, can be responsible for tube wall roughness and the formation of interlinked structures.     

接枝羧基对单壁碳纳米管弹性性质的影响

采用分子动力学方法对端口接枝不同数量羧基的扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管弹性模量进行了模拟研究. 结果表明, 扶手椅型(5, 5)、(10, 10)管和锯齿型(9, 0)、(18, 0)管在未接枝状态下杨氏模量分别为948、901GPa和804、860 GPa. 在接枝2-8个羧基情况下, 扶手椅型单壁碳纳米管拉伸杨氏模量基本不随接枝数量的增加而发生变化, 而锯齿型单壁碳纳米管则不同, 接枝状态下的弹性模量比未接枝状态小很多, 但随接枝数量的增加又呈略增趋势. 分别从接枝后碳纳米管变形电子密度等值线结构变化、键长变化和系统势能变化规律等方面, 对单壁碳纳米管弹性模量的接枝效应进行了分析.     

单壁AlAs(111)纳米管结构和电子性质的密度泛函理论研究

通过卷曲立方AlAs(111)单层片(sheets)构造了一系列(n,0)和(n,m)一维单壁纳米管。用周期性密度泛函理论(DFT)计算并比较了不同类型AlAs纳米管在几何结构、能量及电子性质等方面的差别。计算结果表明锯齿型和椅型纳米管应变能均为负值,并随着管径变大而逐渐变小。然而,它们的带隙相当不同:椅型纳米管为间接带隙,随着管径的增大而带隙减小;锯齿型纳米管为直接带隙,管径为1.87 nm时存在着一个极大带隙值(2.11 eV)。这种不同主要源于锯齿型纳米管铝原子间3p轨道的耦合贡献。     

First-principles study of a new type nanojunction: Finite length carbon chain inserted into half of a carbon nanotube

Based on first-principles calculations, we investigate the structure and electronic properties of a carbon atomic chain in finite length inserted into half of a single walled carbon nanotube (SWCNT), which we called half chain@SWCNT or more generally HCS. Comparing the optimized structure of HCS with that of the same chiral indices SWCNT and all carbon chain inserted SWCNT, we find that the geometry of the tube in HCS is slightly altered due to the weakly interacting between the inserted chain and the outer tube wall of HCS. Our calculation of band structure indicates that the armchair (5, 5) HCS exhibits metallic character, which is as that of (5, 5) SWCNT and all carbon chain inserted (5, 5) SWCNT. The zigzag (8, 0) and (9, 0) HCSs have small change in the energy gap compared to the corresponding pristine ones. Due to the downshift of conduction bands originating from the carbon chain, the calculation of band structure shows that chiral (6, 4) HCS is a semiconductor system with a small band gap of 0.94 eV, less than 1.125 eV in pristine SWCNT. The studied HCSs with unique structure and electronic property may construct a new generation nanoscale junctions without the usual heptagon–pentagon defect pair considerations.     

有限长椅型(5,5)碳纳米管吸附氟和氢的理论研究

使用半经验PM3方法, 对(5, 5)椅型单壁碳纳米管的H和F吸附做一系列计算, 模型采用含120C, 130C, 140C的两端开口的(5, 5)管, 吸附原子从2到30个。计算结果表明F与H有类似的吸附规律, 但是, 在各种吸附构型的稳定性上, F吸附比H吸附的差别较为显著。H, F的吸附排列在50 %覆盖度下更倾向于沿管轴的锯齿状连续排列, 而非垂直于管轴的环状排列, 这些吸附排列结构与各纳米管骨架模型前线轨道拓扑图存在对应关系。