金原子掺杂的碳纳米管吸附CO气体的密度泛函理论研究

鉴于碳纳米管复合材料具有较强气敏性,该性质对于指导剧毒气体探测器的研发具有重要意义,因此,本文采用密度泛函方法对CO气体在本征、金原子掺杂(8,0)单壁碳纳米管的吸附行为进行研究. 通过对吸附体系的几何、电子结构研究表明,CO分子在金原子掺杂的碳纳米管外壁的金原子位置处的吸附能力远大于CO在本征碳纳米管处的吸附,此外,还计算了两种典型位置的电子密度、态密度,进一步支持了掺金碳纳米管对CO气体具有超强的敏感性,因此,金原子掺杂的碳纳米管有望成为探测CO气体的新一代气敏元件. 关键词： 碳纳米管 CO 金原子 掺杂     

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     

封装进过渡金属原子的单壁碳纳米管:密度泛函理论研究

运用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)的非平衡格林函数(NEGF)方法对过渡金属原子嵌入后的单壁碳纳米管(SWCNT)的电子输运性质进行了研究.构建并优化不同过渡金属原子填充进不同类型碳纳米管的模型,研究其对应的电荷和自旋传输性质.发现所有体系都在费米面附近出现自旋相关的电导下降峰,数值为一个量子电导(2e2/h).碳管内封装两个铁原子的体系,磁性状态的改变导致不同的电输运行为,这一性质提供了新的有前景的方法来检测原子尺度上的磁特性.     

硼原子掺杂对碳纳米管吸附Ne原子影响的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）和局域密度近似（LDA）方法,优化计算得到碳纳米管（CNT）,硼原子取代碳原子及其吸附氖原子前后系统的几何结构,能量,电子能带和态密度。结果显示,碳纳米管的能带结构与石墨的层状几何结构相似,能量的变化只在kz=0和kz=0.5平面之间沿着c轴方向出现。B原子取代C原子使价带和导带分别分裂为两个和三个能带。对Ne原子的吸附使价带能量沿着c轴方向升高并导致Fermi面附近的态密度下降。Ne原子的吸附在谷位H最稳定,顶位A其次。C-C间σ键的弯曲使Ne原子吸附在桥位b1比桥位b2处更为稳定。Ne原子在管外的吸附均为放热过程,而管内则为吸热过程。结构分析表明Ne原子对C原子有排斥作用,对B原子却具有吸引作用。B原子取代C原子的位置略凸出于CNT的管壁之外,使Ne原子的吸附能增加。     

硼原子掺杂对碳纳米管吸附Ne原子影响的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）和局域密度近似（LDA）方法,优化计算得到碳纳米管（CNT）,硼原子取代碳原子及其吸附氖原子前后系统的几何结构,能量,电子能带和态密度。结果显示,碳纳米管的能带结构与石墨的层状几何结构相似,能量的变化只在kz=0和kz=0.5平面之间沿着c轴方向出现。B原子取代C原子使价带和导带分别分裂为两个和三个能带。对Ne原子的吸附使价带能量沿着c轴方向升高并导致Fermi面附近的态密度下降。Ne原子的吸附在谷位H最稳定,顶位A其次。C-C间σ键的弯曲使Ne原子吸附在桥位b1比桥位b2处更为稳定。Ne原子在管外的吸附均为放热过程,而管内则为吸热过程。结构分析表明Ne原子对C原子有排斥作用,对B原子却具有吸引作用。B原子取代C原子的位置略凸出于CNT的管壁之外,使Ne原子的吸附能增加。     

硼原子掺杂对碳纳米管吸附Ne原子影响的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)方法,优化计算得到碳纳米管(CNT),硼原子取代碳原子及其吸附氖原子前后系统的几何结构,能量,电子能带和态密度.结果显示,碳纳米管的能带结构与石墨的层状几何结构相似,能量的变化只在kz=0和kz=0.5平面之间沿着c轴方向出现.B原子取代C原子使价带和导带分别分裂为两个和三个能带.对Ne原子的吸附使价带能量沿着c轴方向升高并导致Fermi面附近的态密度下降.Ne原子的吸附在谷位H最稳定,顶位A其次.C-C间σ键的弯曲使Ne原子吸附在桥位b1比桥位b2处更为稳定.Ne原子在管外的吸附均为放热过程,而管内则为吸热过程.结构分析表明Ne原子对C原子有排斥作用,对B原子却具有吸引作用.B原子取代C原子的位置略凸出于CNT的管壁之外,使Ne原子的吸附能增加.     

锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究

锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料,在锂离子电池等领域受到关注.本文基于第一性原理的密度泛函理论,计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性,包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径.结果表明:Li原子最稳定的吸附位置位于谷位,即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置,吸附能为1.69 eV,吸附距离为2.81?;能带计算发现,锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体,吸附Li原子后费米能级上升进入导带,呈现出金属性;原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠,表现出杂化成键的特征;随着吸附Li原子数量增加,锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化.通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV,较小的势垒高度有利于快速充放电过程.     

密度泛函理论研究碱金属原子在完美氧化镁(001)表面的吸附

基于平面波赝势法的密度泛函理论系统地研究了孤立碱金属原子(锂、钠、钾、铷、铯)在完美氧化镁(001)表面的吸附. 锂在氧位表面上的吸附能是0.72 eV,大约是其它碱金属的3倍. 锂和表面氧之间较强的相互作用主要是来源于共价键的作用,这可由态密度和差分电荷密度的分析所证实. 讨论碱金属在MgO(001)表面吸附的成键机理.     

铁原子与NO反应的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)计算研究铁原子与NO反应的相关微观反应机理.全参数优化了四重态和六重态反应势能面上各驻点的几何结构,用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证,得到了该反应的反应势能面曲线,并讨论了势能面的交叉情况.结果表明,该反应为典型的两态反应,反应通道一中出现了一个势能交叉点,反应通道二中出现了两个势能交叉点,反应通道三中出现了三个势能交叉点.势能面上的交叉点能够有效降低反应的活化能,增加反应放热,这在动力学和热力学上都是有利的.     

水分子链受限于单壁碳纳米管结构的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理的密度泛函理论,主要以(6,6)Armchair型,(11,0)Zigzag型单壁碳纳米管为研究对象,研究了水分子链在碳纳米管内部吸附的稳定结构,以及结合能随其结构的变化.结果表明:当水分子链受限于碳纳米管内部时,引起碳纳米管直径收缩,这主要是由于水分子链与碳纳米管之间的氢键作用以及范德华弱相互作用所引起的.随着碳纳米管半径的增加,两种单体之间的结合能逐渐减小,但当碳纳米管半径增加至6.78时,其结合能又有所增加,这是由于在优化过程中,水分子链单体之间的氢键作用大于水分子链与碳纳米管之 关键词： 水分子链/单壁碳纳米管 密度泛函理论 结构稳定性     

Sidewall fluorination and hydrogenation of single-walled carbon nanotubes: a density functional theory study

The fluorination and hydrogenation reactions on (6, 6) and (10, 0) single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been examined via computing the reaction energy for the chemisorption. The examined nanotubes have comparable lengths and diameters, with or without Stone-Wales defects on the sidewall. The two fluorine or hydrogen atoms are anchored to the external walls of the SWCNTs. The computed chemisorption energies of these virtual reactions reveal that the fluorination and hydrogenation of the nanotubes are moderately sensitive to the nanotube chirality and the sidewall topology, and the (10, 0) SWCNT with Stone-Wales defect can be easily fluorinated and hydrogenated.      

Dependence of the electrical properties of defective single-walled carbon nanotubes on the vacancy density

The relationship between the electric properties and the vacancy density in single-walled carbon nanotubes has been investigated from first principles as well as the dependence of the influencing range of a vacancy in the nanotube on the nanotube chirality.Compared with the long-range interaction of the vacancies in a single-walled carbon nanotube with non-zero chiral angle,a much shorter interaction was found between vacancies in a zigzag single-walled carbon nanotube.In this study,we investigated the bandstructure fluctuations caused by the nanotube strain,which depends on both the vacancy density and the tube chirality.These theoretical results provide new insight to understand the relationship between the local deformation of a defective single-walled carbon nanotube and its measurable electronic properties.     

单壁纳米碳管的声子谱研究

通过五步旋转操作方便地得到了不同位置原子间的力常数矩阵，从而可以使对各种不同类型管的声子谱的计算变得简便. 计算表明，非螺旋的扶手椅型（n, n）管与锯齿型(n, 0)管的非简并和二重简并模式数分别为12和6(n-1)，这与从群论等方法所得结果相符. 关键词： 纳米碳管 声子谱 振动模式密度 动力学矩阵     

Effect of charge on the stability of single-walled carbon nanotubes

Carbon nanotubes can be viewed as a complete tube structure formed from graphitelayers and they have long been a research focus since the discovery in 1991[1,2]. Due totheir distinct atomic and electronic structures, carbon nanotubes, especially single-walled carbon nanotubes (SWNTs), have got into the frontier of the nanoelectronics andthe molecular electronics[3], in addition to their applications in the field of material sci-ence. After successfully manufacturing model electronic devices[4…     

Molecular dynamics studies on the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes

We have studied the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) using the NEMD method. The results indicate that the thermal conductivity values are not profoundly influenced by the specific simulation-technique used in the MD simulations. Some possible reasons, which could be responsible for the discrepancy on thermal conductivity values of SWCNTs in the literatures, are discussed.      

Effects of various defects on the electronic properties of single-walled carbon nanotubes: A first principle study

The geometries,formationenergies and electronic band structures of （8, 0） and （14, 0） singlewailed carbon nanotubes （SWCNTs） with various defects, inehlding vaeaney, Stone-Wales defect, and octagon pentagon pair defect, have been investigated within the framework of the density- huictional theory （DFT）, and the influence of the concentration within the same style of deflect on the physical and chenfical properties of SWCNTs is also studied. The results suggest that the existeilcc of vacancy and octagon-pentagon pair deflect both reduce the band gap, whereas the SW- defect induces a band gap opening in CNTs. More int, erestingly, the band gaps of （8, 0） and （14, 0） SWCNTs eonfigurations with two octagon pentagon pair defect presents 0.517 eV and 0.163/eV, which arc a little smaller than the perfectt CNTs. Furthermore, with the concentration of defects increasing, there is a decreasing of band ga.p making the two types of SWCNTs change from a semiconductor to a metallic conductor.     

Influencing range of vacancy defects in zigzag single-walled carbon nanotubes

The influencing range of a vacancy defect in a zigzag single-walled nanotube is characterized with both structural deformation and variation in bandstructure. This paper proposes a microscopic explanation to relate the structural deformation to the bandstructure variation. With an increasing defect density, the nanotubes become oblate and the energy gap between the deep localized gap state and the conducting band minimum state decreases. Theoretical results shed some light on the local energy gap engineering via vacancy density for future potential applications.     

利用场发射显微镜研究O2对单壁碳纳米管场发射的影响

利用场发射显微镜和四极质谱计研究了充入高纯O2的四极质谱和O2对单壁碳纳米管场发射的影响.单壁碳纳米管经过约1000℃的热处理得到清洁态场发射像后，充入O2，分别测量了O2吸附和脱附后场发射的I V特性.实验观测到在单壁碳纳米管上O2的吸附使场发射电流减小，说明逸出功增加.在10-4Pa的O2压强下对单壁碳纳米管进行约1000℃的热处理，可以产生氧化刻蚀作用，观测到场发射像的变化，并测量了氧化刻蚀产生的I V特性变化. 关键词： 单壁碳纳米管 场发射显微镜 场发射 四极质谱