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。     

纳米碳管异质结的结构及其电学性质

研究碳管内缺陷的结构以及对碳管电子结构的影响, 并且对碳管内异质结的构型进行了初步研究, 发现可以用简单方法将不同螺旋的两种碳管连接. 关键词： 纳米碳管 缺陷 异质结 局域电子态密度     

缺陷对单壁碳纳米管熔化与预熔化的影响

利用分子动力学模拟研究了具有几种常见缺陷的单壁碳纳米管的熔化与预熔化性质. 研究结果表明, 类似于纳米颗粒和聚合物, 碳纳米管发生熔化时的Lindemann指数为003, 远低于晶体熔化的判据01—015 使用Lindemann指数, 得出标准碳纳米管的熔化温度为4800K左右, 而带缺陷的碳纳米管的熔化总是从缺陷处开始, 并且缺陷会影响碳纳米管局部的熔化温度, 导致局部预熔化. Stone-Wales缺陷在2600K引起碳纳米管的局部熔化,空位缺陷导致的局部熔化温度在3200K, 而具有硅替位缺陷的碳纳米管在3800K以下具有很好的热稳定性. 关键词： 熔化 预熔化 缺陷 碳纳米管     

拓扑缺陷对Armchair型小管径多壁碳纳米管输运性质的影响

采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了纯净的及带有不同数目的Stone-Wale拓扑缺陷下的扶手椅型单壁, 双壁和三壁小管径碳纳米管的能带结构和电子输运性质, 通过计算并分析不同偏压下的微分电导和非弹性电子隧穿谱(IETS), 计算结果表明单壁, 双壁和三壁碳纳米管的特征偏压区间分别为[-1.0V, 1.0V], [-0.5V, 0.5V] 和[-0.25V, 0.25V], 特征偏压区间内SW拓扑缺陷所产生的电导波动平缓, 而特征偏压区间外因缺陷的数目变化所带来的电导波动显著, 通过IETS谱线的分析得到单壁, 双壁和三壁碳纳米管的特征峰偏压分别为 1.25V, 0.625V和 0.125V. 碳纳米管的特征偏压区间和IETS特征峰偏压可为较小管径碳纳米管单壁, 双壁和多壁类型的区分提供一种新的途径, 同时也为小管径多壁碳纳米管的输运性质在出现拓扑缺陷时的响应提供参考依据.     

拓扑缺陷对Armchair型小管径多壁碳纳米管输运性质的影响

采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了纯净的及带有不同数目的 Stone-Wale拓扑缺陷下的扶手椅型单壁,双壁和三壁小管径碳纳米管的能带结构和电子输运性质,通过计算并分析不同偏压下的微分电导和非弹性电子隧穿谱(IETS),计算结果表明单壁,双壁和三壁碳纳米管的特征偏压区间分别为[-1.0 V,1.0 V],[-0.5 V,0.5 V]和[-0.25 V,0.25 V],特征偏压区间内SW拓扑缺陷所产生的电导波动平缓,而特征偏压区间外因缺陷的数目变化所带来的电导波动显著,通过IETS谱线的分析得到单壁,双壁和三壁碳纳米管的特征峰偏压分别为±1.25 V,±0.625 V和±0.125 V.碳纳米管的特征偏压区间和IETS特征峰偏压可为较小管径碳纳米管单壁,双壁和多壁类型的区分提供一种新的途径,同时也为小管径多壁碳纳米管的输运性质在出现拓扑缺陷时的响应提供参考依据.     

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     

单壁碳纳米管的振动频率

将修正的分子结构力学方法(MMSMM)扩展用来分析单壁碳纳米管的动态特性. 应用MMSMM方法分析了悬臂单壁碳纳米管的振动特性，对计算得到的单壁碳纳米管振动的基频进行了讨论. 发现单壁碳纳米管振动的基频与碳管的直径和长度有关，呈现出一定的尺度依赖性，当管径很小的时候，单壁碳纳米管的振动基频可以达到GHz.并尝试用有限元方法模拟碳管的振动问题. 两种方法得到的结果表明，在常用的原子模拟方法(如分子动力学方法)解决碳纳米管振动问题遇到困难时，通过扩展修正可以简单的处理这类问题，并可以保持很好的精度.     

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.     

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     

单壁碳纳米管单原子空位缺陷的紧束缚理论研究

文章在紧束缚势模型基础上系统地研究了非手性单壁碳纳米管上单原子空位缺陷结构和电子结构性质.计算表明,单原子空位缺陷会自发地形成5-1DB型缺陷, 且该缺陷的局域结构和形成能强烈地依赖于碳纳米管的尺寸、旋度和电学性质.同时作者发现这类缺陷在费米能级以上约0.2eV处产生局域的电子态.     

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。     

基于第一性原理研究单壁碳纳米管的力学性质

用基于第一性原理的Crysta103软件中的Hartree-Fock近似和密度泛函与Hartree-Fock混合近似两种方法计算一系列碳纳米管的杨氏模量,对两种近似方法的计算结果进行比较.Hatree-Fock近似计算的杨氏模量与实验和其它理论结果符合较好;密度泛函和Hartree-Fock混合近似计算的杨氏模量偏小,...     

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。     

单壁碳纳米管RBM的拉曼光谱研究

在室温下首次观察到碳纳米管的27条径向呼吸振动拉曼峰,并且通过与理论值对照,对其进行了初步标定。所观测到的径向呼吸振动模数目是迄今最多的。     

含有五边形—七边形缺陷的单壁纳米碳管的输运性质研究

运用第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数研究了含有五边形—七边形拓扑缺陷的纳米碳管异质结的输运性质.结果发现：拓扑缺陷对碳管的输运性质有很大影响；另外，不同类型的碳管形成的异质结的输运性质也有明显的差异. 关键词： 纳米碳管 输运性质 异质结 透射系数     

石墨和纳米碳中缺陷和电子动量的研究

用正电子湮没技术研究了石墨和纳米碳中的缺陷和电子动量. 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. 纳米碳中存在开空间小于单空位的自由体积以及开空间相当于约10个空位聚集体的微孔洞. 石墨晶体中的自由电子动量分布表现出显著的各向异性: 沿石墨晶体的\[0 001\]晶向的自由电子(即2Pz电子)的动量最大; 偏离该方向越大, 自由电子的动量越小; 垂直于\[0 001\]晶向的自由电子的动量最小. 而纳米碳中自由电子动量的分布表现出各向同性. The defects and electronic momenta in graphite and nanocrystalline carbon have been studied by positron annihilation techniques. The results show that the concentration and open volume of defects in nanocrystalline carbon are higher/larger than that in graphite. Two kinds of microdefects were found in the nanocrystalline carbon: free volume (with a size of smaller than that of a monovacancy) and microvoids (with a size of about ten monovacancies). The anisotropic distribution of electronic momentum was found in single crystalline graphite, the momentum of free electron shows a maximum value in \[0001\] direction, and decreases with the increase of the angle deviation from \[0001\] direction and then reaches a minimum value in the direction perpendicular to \[0001\]. However, this phenomenon was not found in nanocrystalline carbon since the distribution of electronic momentum is isotropic.     

单壁碳纳米管拉伸变形的原子尺度模拟

采用分子动力学方法对单壁碳纳米管的拉伸变形行为进行了模拟,结果表明,碳纳米管具有较高的断裂应变.在结构产生缺陷之前,碳纳米管表现出弹性变形的特征.通过对能量变化的分析可以看出,能量分布的不均匀是导致结构失稳产生缺陷的主要因素.通过对含初始结构缺陷的碳纳米管在拉伸变形过程中的构型变化进行分析,发现在缺陷附近原来相邻的两个六边形蜂窝结构,随着拉伸变形的发展转变成5 7结构(Stone Wales转变),能量产生突变,应变能的释放使系统能量降低.分析也表明,较少数目的初始缺陷对碳纳米管的力学性质并不会有太大影响.     

手性碳纳米管能带特性的研究

探讨手性（chiral)单层碳纳米管（SWNTs)电子结构的主要特点。提出了确定与Fermi能级EF＝0相交或相近的子能带指数J及相关的波矢ky值的方法。并直接从A－B效应出发。导出了任意手性角的SWNTs在磁场中发生金属－半导体连续转换的条件,同时对其能隙变化规律进行了详细讨论。