多壁碳纳米管在循环相变过程中结构变化初探

对由离子束辐照多壁碳纳米管（MWCNTs）产生的无定形碳纳米线（ACNWs）进行了高温退火（2400℃）处理，通过透射电子显微镜(TEM)观察发现，ACNWs体部转变成与原来MWCNTs相似 的管状石墨结构，而其封端区域的石墨晶体结构形态却与原来的MWCNTs完全不同，且变化多 端.基于实验结果，对其相变过程机理提出了一个概念性的模型. 关键词： 无定形碳纳米线 高温退火 相变 透射电子显微镜     

碳纳米管-硅纳米线复合结构的形成和热稳定性

通过分子动力学方法模拟了在碳纳米管内填充一定数目的半导体元素硅形成碳纳米管-硅纳米线复合结构的过程,并采用Lindemann指数研究了这种复合结构的热稳定性．计算结果表明,当考虑碳纳米管和硅纳米线轴向方向的周期性边界条件之后,在C（13,0）和C （14,0）碳纳米管内能够形成亚稳结构的硅纳米线Si₁₆NW和Si₂₀NW,从而获得一种碳纳米管-硅纳米线的新型复合结构．通过计算这种复合结构的Lindemann指数,可以看到由于碳纳米管的保护作用,碳纳米管包裹的硅纳 关键词： 复合结构 纳米线 碳纳米管 分子动力学     

γ射线辐照下多壁碳纳米管结构转变过程研究

采用60Coγ射线辐照纯净的多壁碳纳米管,用高分辨透射电镜和拉曼光谱,研究了多壁碳纳米管由石墨结构向无定形结构转变的演化过程.发现在γ射线辐照下,碳纳米管的外部石墨层逐渐失去最初的有序结构而向无定形结构转变.而且,随着γ射线辐照剂量的增加,无定形结构不断推进,而石墨层结构则不断减小,直至使整个碳纳米管变为一个中空的无定形纳米线结构.用原子位移理论和溅射机理对这种转变过程进行了分析.γ射线轰击碳纳米管击出碳原子,碳原子停留在晶格的间隙位置上产生间隙原子,在它原来的平衡位置则留下一个空位.当轰击粒子动能足够大时导致碰撞级联效应,无序结构增加.多数空位和间隙原子可能相互复合而彼此退火,但仍有少数原子作为间隙原子而造成晶格进一步缺陷.辐射也可以引起碳原子的溅射,溅射出来的碳原子沉积在碳纳米管的外壁上形成一层无定形碳结构.     

多壁碳纳米管与金属表面间接触行为的分子动力学模拟

碳纳米管与金属表面间的界面接触行为对碳基电子器件的性能研究具有重要意义.本文利用分子动力学模拟方法研究了端部开口和闭口的多壁碳纳米管与金属表面间的界面接触构型和粘着强度.模拟结果表明,多壁碳纳米管在金属表面上的位置和形状变化是因为减少的范德瓦耳斯能转变成碳纳米管的内能;多壁碳纳米管与金属表面的结合能为负值,表明两者存在粘着作用;多壁碳纳米管水平地接触金属表面时的粘着强度受初始间距、接触长度和金属种类影响,即范德瓦耳斯能作用的初始间距阈值约为1 nm且最终平衡状态时的两者间距约为0.3 nm;随着两者接触长度增加,粘着强度增大,铂与碳纳米管的粘着强度比钨和铝的大;端部开口和闭口的碳纳米管与金属表面垂直接触时的粘着强度都比水平接触时的小,两端开口的碳纳米管在金属表面上发生径向压缩变形,最终形成带状结构;而两端封闭的碳纳米管在金属表面上发生轴向压缩变形;在碳纳米管场效应晶体管中,两端开口的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管一样变形成带状结构,并且各个管壁之间以及最外层管壁与金属电极之间的间距相当,该原子尺度的间距(约0.34 nm)保证电子从金属隧穿到最外层管壁,并在内层管壁之间径向迁移.     

羟基饱和锯齿型石墨烯纳米带的电子结构

利用密度泛函理论,计算了羟基饱和锯齿型石墨烯纳米带(OH-ZGNRs)的相对稳定性和外加横向电场对其电子结构的影响.计算结果表明:OH-ZGNRs比氢饱和ZGNRs(H-ZGNRs)更为稳定,具有窄带隙自旋极化基态.此外,在外加横向电场作用下,OH-ZGNRs可实现半导体到半金属相转变. 关键词： 石墨烯纳米带 密度泛函理论 电场     

Co纳米线磁矩反转动态过程的有限元微磁学模拟

采用有限元微磁学模拟方法研究了Co纳米线在不同外加恒磁场下磁矩的翻转过程.研究结果表明在直径为10 nm的Co纳米线内,经过一定的形核时间将在其一端形成一个反向磁畴.磁畴壁的类型为横向畴壁,该畴壁将在一外加恒定磁场的驱动下匀速地从一端运动到另一端.畴壁的运动速度与外加磁场大小呈线性关系.在H为1000 kA/m时,发现在纳米线的两端均会形成一个“头对头”的反向磁畴.计算结果表明,畴壁内磁矩的方向旋转一个周期所导致的畴壁运动的距离相同,与外加磁场强度无关. 关键词： 磁性纳米线 微磁学模拟 磁畴 横向畴壁     

碳纳米管内金纳米线的结构与热稳定性

采用分子动力学模拟方法, 研究了填充在(8,8)单壁碳纳米管内的Au纳米线的结构和热稳定性. 研究表明, 经高温退火至室温, Au在碳纳米管内能生成多样而稳定的结构上明显区别于自由状态Au纳米线的壳层螺旋结构Au纳米线, 其螺旋结构会随着温度的变化而转变. 束缚在碳纳米管内的壳层螺旋结构Au纳米线有非常好的热稳定性, 稳定温度高于块体Au晶体的熔化温度. 关键词： 纳米线 碳纳米管 热稳定性 分子动力学模拟     

外电场下PbO作硫化剂交联聚乙烯分子结构及特性

本文研究外加电场对离子交联聚乙烯的微观结构和能量特性的影响,使用分子模拟法建立PbO作硫化剂的交联聚乙烯分子模型,通过半经验法对模型进行几何优化同时施加沿X轴方向的外电场,计算离子交联聚乙烯的分子总能量、偶极矩、极化率、分子轨道能量、能隙、红外光谱、电荷分布并进行分析.得出结论:随着外加电场的上升,交联聚乙烯分子结构会发生变化,当外加电场过大时本文所建交联聚乙烯分子离子盐桥的S-Pb-S键将会发生断裂形成自由基.外加电场会使分子内部的电荷从交联聚乙烯碳链端部向离子盐桥转移,盐桥处Pb原子电荷量不断积累,到达临界点时将会断裂形成电荷量较大的Pb自由基,在外加电场的作用下进一步影响交联聚乙烯分子的稳定性导致其性能下降,研究结果对交联聚乙烯的电树枝老化生成提供参考.     

价键优选法及其在纳米结构预测与物性研究中的应用

本文论述价键优选法作为一种新颖的理论方法在材料结构预测与物性研究中的应用, 特别是在低维数纳米结构如团簇与纳米线研究中所展示的优势. 价键优选法以原子几何构型和电子云(主要是由费米能级附近的分子轨道组成, 即广义前线轨道)空间分布来合理决定纳米结构的稳定构型的选取. 本文以硅团簇为例说明价键优选法的特点, 以及锂、钠、铍、镁等金属团簇为例说明价键优选法在结构预测与材料 物性随尺寸演化规律研究中的应用, 以锂离子在MoS纳米线中的吸附为例说明价键优选法在储能材料离子传导研究中的应用, 最后总结价键优选法的进一步发展方向. 关键词： 价键优选法 团簇 纳米结构 离子传导     

碳纳米管包裹的硅纳米线复合结构的热稳定性研究

采用经典分子动力学方法模拟一定直径[111]晶向的硅纳米线填充不同扶手椅型单壁碳纳米管复合结构的加热过程, 通过可视化和能量分析的方法判断复合结构中硅纳米线和碳纳米管的热稳定性. 通过讨论碳纳米管的空间限制作用和分子间相互作用力的关系, 对碳纳米管和硅纳米线的热稳定性变化进行初步解释. 研究发现碳纳米管中硅纳米线的热稳定性和碳纳米管的直径关系密切: 当管径较小时, 硅纳米线的热稳定性有所提高, 当管径增大到一定大小时, 硅纳米线的热稳定性会突然显著地下降, 直到硅纳米线与管壁不存在分子间相互作用力, 硅纳米线的热稳定性才会恢复. 而硅纳米线填充到碳纳米管中对碳纳米管的热稳定性有着明显的降低作用.     

Effect of adsorbates on field emission from carbon nanotubes

Recent experiments indicate that water molecules adsorbed on carbon nanotube tips significantly enhance field-emission current. Through first-principles density-functional theory calculations we show that the water-nanotube interaction is weak in zero electric field. However, under emission conditions large electric field present at the tube tip: (a) increases the binding energy appreciably, thereby stabilizing the adsorbate; and (b) lowers the ionization potential (IP), thereby making it easier to extract electrons. Lowering of IP is enhanced further through the formation of a water cluster on the nanotube tip.     

碳纳米管场致发射中的空间电荷效应

采用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)方法成功制备以碳纳米管束为单元的场致发射阵列,获得很好的场致发射电流发射特性,在电流密度较大时,发现I-V特性偏离由Fowler-Nordheim公式计算出的结果。采用Electron Beam Simulation(EBS)软件进行模拟分析发现:在电流密度较低时,I-V特性能很好与F-N公式吻合。但碳纳米管尖端电流密度大于106A/cm2时,碳纳米管尖端处的有效电场强度受空间电荷的影响比较明显,进而对碳纳米管的场致发射特性显现出不可忽略的影响,此时碳纳米管的发射电流密度开始受到空间电荷的限制。     

Effect of vacancy defect on electrical properties of chiral single-walled carbon nanotube under external electrical field

Ab initio calculations demonstrated that the energy gap modulation of a chiral carbon nanotube with mono-vacancy defect can be achieved by applying a transverse electric field. The bandstructure of this defective carbon nanotube varying due to the external electric field is distinctly different from those of the perfect nanotube and defective zigzag nanotube. This variation in bandstructure strongly depends on not only the chirality of the nanotube and also the applied direction of the transverse electric field. A mechanism is proposed to explain the response of the local energy gap between the valence band maximum state and the local gap state under external electric field. Several potential applications of these phenomena are discussed.     

Possible role of charge transport in enhanced carbon nanotube growth

We consider the role of electric fields during metal-catalysed thermal chemical vapour deposition growth of carbon nanotubes and show that enhanced growth occurs from a negatively biased electrode. An electric field, applied externally to the growing tubes and/or generated as a result of electron emission or self-biasing, may strongly affect the carbon supply through the catalyst nanoparticle, enhancing the growth rate. Different aspects of the growth process are analysed: the nature of the nanoparticle catalysis, carbon dissolution kinetics, electron emission from the nanotube tips, charge transport in the nanotube–catalytic nanoparticle system and carbon drift and diffusion through the catalyst under the action of the electric field. A fundamental tenet for modelling of charge-transport dynamics during the nanotube growth process is proposed. PACS 81.07.De; 81.15.Gh     

Effect of interaction between AC electric field and phonon oscillation of metal cluster on tip-growth of carbon nanotube

The paper reports effect of interaction between AC electric field and metal cluster sitting at tip end of the carbon nanotube (CNT) on CNT tip-growth in CVD theoretically. For this purpose, a theoretical model based on phonon oscillations of the metal catalyst and influence of AC electric field on these oscillations is presented. Results show that there is an optimum AC electric field which optimizes growth of ultra-long CNTs. Then it is demonstrated that, in comparison with CNTs in the absence of field, CNTs under optimum electric field grow more. In addition, relation between optimum temperature and amplitude of AC electric field is investigated and it is shown that increasing electric field leads to higher optimum temperature. Finally, Investigation of effect of catalyst type on optimum electric field demonstrates the optimum field for various catalysts is different due to their different characteristics including van der Waals interaction with carbon, atomic mass and number of free charge carriers per each atom. All results are discussed and interpreted.     

Quantum-mechanical investigation of field-emission mechanism of a micrometer-long single-walled carbon nanotube

A quantum-mechanical simulation is carried out to investigate the charge distribution and electrostatic potential along a 1 microm long (5,5) single-walled carbon nanotube under realistic field-emission experimental conditions. A single layer of carbon atoms is found sufficient to shield most of the electric field except at the tip where strong field penetration occurs. The penetration leads to a nonlinear decrease of potential barrier for emission, which is equally responsible for the low threshold voltage besides the well-known geometrical field enhancement factor.     

一种平行栅碳纳米管阵列阴极的场发射特性研究

建立一种平行栅碳纳米管阵列阴极,利用悬浮球模型和镜像电荷法进行计算,给出碳纳米管顶端表面电场与电场增强因子的解析式. 在此基础上,进一步分析器件各类参数以及接触电阻对阴极电子发射性能的影响. 分析表明,碳纳米管间距大约为2倍碳纳米管高度时阵列阴极的分布密度最佳,靠边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大;除碳纳米管的长径比之外,栅极宽度和栅极间距也对电场增强因子有一定作用;接触电阻的存在大幅度降低碳纳米管顶端表面电场与发射电流,而接触电阻高于800 kΩ时,器件对阳极驱动电压的要求更高. 关键词： 平行栅碳纳米管阵列 悬浮球 场增强因子 接触电阻