拓扑缺陷对单壁碳纳米管电子结构及其光学光谱的影响

应用密度泛函理论计算了半导体型单壁碳纳米管(7,0)和(8,0)以及其发生镜像对称和非镜像对称Stone-Wales形变、形成异质结(7,0)—(8,0)情况下的能带结构、吸收光谱、反射光谱,并对计算结果进行了比较。研究发现： 引入拓扑缺陷态后,碳纳米管的能带结构发生了明显的变化,费米能级在不同缺陷情况下移动方向不一致;碳管的吸收和反射明显减弱且吸收峰和反射峰在低能区发生红移现象;在光子能量约为E=13 eV处各碳管的吸收谱和反射谱中均出现一特征峰,并且在引入缺陷以后该特征峰向高能区移动。文章对计算结果进行了分析和探讨,可望利用这种拓扑缺陷的引入而产生的光电特性来设计碳管光电器件。     

含氮SW缺陷对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响

应用第一性原理密度泛函理论研究了单壁碳纳米管中Stone-Wales(SW)缺陷和氮掺杂情况下的电子结构和光学性质.研究发现,含氮SW缺陷单壁碳纳米管体系的总能降低,结合更稳定,且在费米能级附近出现一条半满的杂质带,并且随着氮掺杂位置的不同,掺杂能态出现显著差异.碳管的吸收和反射明显减弱且吸收峰和反射峰在低能区发生红移现象,在能量小于11eV附近均出现杂质特征峰.本文对计算结果进行了分析研究,可望为含氮SW缺陷碳管在光电材料中的应用提供理论依据. 关键词： 单壁碳纳米管 Stone-Wales缺陷 氮掺杂 光学性质     

单壁碳纳米管吸附对三联苯的研究

利用对三联苯对单壁碳纳米管进行了化学修饰,并利用透射电镜、紫外可见吸收光谱、拉曼光谱对修饰后的单壁碳纳米管进行了表征分析.通过对比吸附前后的紫外可见吸收光谱发现,吸附后的光谱强度大约下降63.1%,说明单壁碳纳米管吸附上了对三联苯.通过拉曼光谱分析发现,吸附后单壁碳纳米管的拉曼光谱中主要峰的位置向长波方向移动了6～7 cm-1,认为拉曼光谱发生移动的原因是单壁碳纳米管吸附对三联苯前后状态的改变导致的.     

单壁碳纳米管吸附氧分子的电子输运性质理论研究

用基于第一性原理的密度泛函理论和非平衡态格林函数方法对(4,4)单壁碳纳米管及其吸附氧气分子情况下的平衡态和非平衡态电导性质进行了研究. 发现在小于2 V的偏压下,系统对电压的增加呈现两种不同增长速率的电流响应,其中电压小于1.1 V时电流增加速率较大;而当电压大于该值后,电流对电压增加速率变缓. 吸附的氧分子提供双重的作用,一方面氧分子提供的能级有利于电子隧穿中心散射区;另一方面氧分子的电子态会破坏碳管的平移对称性,从而降低电子对系统的透射能力. 关键词： 单壁碳纳米管 氧分子吸附 电子输运 非平衡态格林函数     

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。     

磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响

我们采用半经验的模型、用单激发组态相互作用方法计算并讨论了外加轴向磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响。由于电子电子间相互作用的影响,磁场导致碳纳米管吸收峰能级分裂与磁场不成正比。该结果与简单的能带理论所给出的结果在低磁场情况下有本质的区别,并与实验结果有更高的符合度。该研究进一步证明了电子电子间相互作用以及激子在决定碳纳米管电子结构和光学性质中的重要作用。     

磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响

采用半经验的模型、用单激发组态相互作用方法计算并讨论了外加轴向磁场对单壁碳纳米管电子结构和光学性质的影响。由于电子电子间相互作用的影响,磁场导致碳纳米管吸收峰能级分裂与磁场不成正比。该结果与简单的能带理论所给出的结果在低磁场情况下有本质的区别,并与实验结果有更高的符合度。该研究进一步证明了电子电子间相互作用以及激子在决定碳纳米管电子结构和光学性质中的重要作用。     

卷曲效应对单壁碳纳米管电子结构的影响

利用计入卷曲效应的单壁碳纳米管(SWCNT)的能量色散关系,计算最低导带的电子速度及有效质量,并与不计入卷曲效应的结果进行了比较.计算结果表明:卷曲效应对电子速度及有效质量的影响与SWCNT的类型密切相关,金属锯齿型SWCNT对卷曲效应最为敏感,其次是扶手椅型SWCNT,最不敏感的是半导体锯齿型SWCNT.由此可以推断,卷曲效应对金属锯齿型SWCNT电子结构及低偏压输运特性影响最大,其次是扶手椅型SWCNT,影响最不明显的是半导体锯齿型SWCNT.这些结果与实验测量及密度泛函理论计算结果完全一致. 关键词： 单壁碳纳米管 卷曲效应 电子速度 电子有效质量     

单壁碳纳米管储氢的第一原理分子动力学模拟

本文用第一性原理平面波赝势方法模拟研究了手性单壁碳纳米管与氢分子的相互作用,考察了碳纳米管直径对储氢性能的影响.对单壁碳纳米管储氢的模拟结果表明:(1)物理吸附时,H2可以吸附在空腔内,也可以吸附在管与管之间的空隙中,纳米管内部的氢吸附力均高于管外,而“完好无损”的H2分子不能够穿过管壁而进入管内.(2)化学吸附时,碳纳米管对氢的吸附首先出现在管的边缘附近,碳纳米管局部会发生形变,SWCNTs的张力会随C-H键的增加而增大,系统不稳定.(3)随着直径的增加,纳米管内、外的氢吸附力差异减小.     

结构和变形对单壁碳纳米管力学性能的影响

使用分子动力学方法模拟了单壁碳纳米管的拉伸变形行为和泊松比,并从单壁碳纳米管晶胞单元的结构特征角度,系统分析了管径、螺旋性和应变对力学性能的影响．模拟结果显示,单臂性碳纳米管(8,8)-(22,22)和锯齿性碳纳米管(9,0)-(29,0)的拉伸弹性变形可以分别达到35％-38％和20％-27％,拉伸条件下这些碳纳米管的弹性模量随管径的增大从960 GPa下降到750 GPa,并且锯齿性碳纳米管的弹性模量比单臂性碳纳米管的弹性模量要高．通过对三根具有相同直径和不同螺旋性的碳纳米管(9,9),(12,6)和(16,0)分别在拉伸和压缩条件下的模拟发现,随着变形的增大,碳纳米管的泊松比将减小;在相同的拉伸应变下,碳纳米管的泊松比随其螺旋角的减小而减小,而在相同的压缩应变下,碳纳米管的泊松比随其螺旋角的减小而增大．     

Rh在单壁碳纳米管上吸附的密度泛函理论研究

本文利用密度泛函理论研究了Rh原子在（6,6）单壁碳纳米管内外的吸附行为. 通过对Rh在单壁碳纳米管上不同吸附位的吸附构型与吸附能的研究发现: Rh吸附在管内、外的洞位最稳定, 且管外吸附比在管内强. 这是由于单壁碳纳米管的卷曲效应使得管外电荷密度比管内大造成的. 态密度分析表明, 吸附在管内外的Rh原子的5s电子均转移到了4d轨道上; Rh原子4d轨道上的电子转移到了（6, 6）碳管上, 使Rh带正电, 碳管带负电. 结合能带分析表明, Rh原子吸附在管内磁性较弱, 而吸附在管外较强. 关键词： 密度泛函理论 单壁碳纳米管 Rh原子 吸附     

硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究

应用基于第一性原理的密度泛函理论研究了硼原子取代掺杂的（8,0）碳纳米管吸附甲醛气体分子的束缚能、电子结构以及光吸收和反射性质.研究发现,硼原子掺杂的碳纳米管对甲醛气体具有较强的敏感性,其束缚能大大增加,电荷转移更加显著,吸收峰和反射峰增多,峰值减小,且在低能区发生蓝移现象,在能量约为172 eV处均出现一特征峰.对计算结果进行了讨论,期望利用硼掺杂碳管来制作检测甲醛的纳米传感器和光电器件. 关键词： 碳纳米管 甲醛 硼原子取代掺杂 光学性能     

单壁碳纳米管中电子的有效质量

解析研究了单壁碳纳米管中电子的有效质量，以及导带底的电子有效质量与其管径和螺旋度的关系.结果表明，单壁碳纳米管的几何结构对其电子有效质量有重要的影响.特别是锯齿形窄隙半导体管，发现其导带底的电子有效质量与管径的平方成反比. 关键词： 单壁碳纳米管 电子有效质量     

卷曲方式对Rh原子在单壁碳纳米管内外吸附的影响

碳纳米管曲率与卷曲方式是同时存在并影响金属原子在碳纳米管内外吸附行为的重要因素, 单独研究卷曲方式对金属吸附行为的影响较困难. 选取曲率相近、卷曲方式不同的扶手椅型(6, 6)、锯齿型(10, 0)与手性(8, 4)单壁碳纳米管(SWCNT), 利用密度泛函理论研究了Rh原子在SWCNT内外的吸附行为. 构型优化表明:由于SWCNT卷曲方式不同, 导致Rh原子在(6, 6),(10, 0)与(8, 4)SWCNT内外吸附的稳定构型不同; 不同卷曲方式亦使SWCNT与Rh原子相互作用的C原子不同, 导致Rh 关键词： 密度泛函理论 单壁碳纳米管 Rh原子 卷曲方式     

Effects of vacancy percentage on the energy gap of zigzag single-wall carbon nanotubes

The influence of vacancy percentage on the energy gap of zigzag single-wall carbon nanotube is investigated by the Green's function method in coherent potential approximation. Our probes for various kinds of zigzag single-wall carbon nanotubes show that by increasing vacancy percentage the energy gap is also increased, so for metallic single-wall carbon nanotubes, a metallic to semi-metallic transition is occurred. However, any transition does not appear for semiconductor carbon nanotubes. So by controlling on concentration of vacancies, one can make a semiconductor SWCNT with a predetermined energy gap which is useful in nanoelectronic devices.     

单壁纳米管的弹性性质

基于第一性原理计算了一系列单壁碳纳米管(椅型、锯齿型)和氮化硼锯齿型纳米管的杨氏模量.用实际的数值结果显示了杨氏模量与纳米管管径之间的依赖关系.还讨论了各类纳米管卷曲形变能以及平衡基矢长度a随管型的变化. 关键词： 单壁纳米管 平衡基矢长度 杨氏模量 形变能     

P掺杂硅纳米管电子结构与光学性质的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了P掺杂对单壁扶手型硅纳米管电子结构和光学性质的影响.结果表明:经过P掺杂,单壁扶手型硅纳米管的能带结构从间接带隙变为直接带隙,其价带顶主要由Si-3p态电子构成,导带底主要由Si-3p态电子和Si-3s态电子共同决定;同时通过P掺杂,使单壁扶手型硅纳米管的禁带宽度变窄,导电性增强,吸收光谱产生红移.研究结果为硅纳米管在光电器件方面的应用提供了理论基础.     

超小碳纳米管的高效率光致可见发光

镶嵌在分子筛骨架中的4A直径的单壁碳纳米管可发出高效的、位于可见光区的光致发光．发光谱呈较宽的线形，其效率约为1％—5％．无论是对激发光的响应，还是发光强度都有很强的偏振依赖特性．结合其吸收光谱、拉曼光谱以及电子能带结构的理论计算，作者讨论了4A碳纳米管的发光机制，并给出了合理的解释．     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...