有限长扶手椅形单壁碳纳米管分子静电势的理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用3-21G基函数对有限长扶手椅形单壁碳纳米管(4,4)、(5,5)和(6,6)的构型进行优化和分子静电势计算.结果表明:除近核区域为正常的正电势外,碳纳米管结构模型的管内和管外为负电势区域;在碳纳米管结构模型的管内,管心处均出现负电势的最小值,且负电势的绝对值随着碳纳米管的曲率降低而增大,管心轴线上静电势的变化随碳纳米管的曲率降低而减少,带电粒子流比较容易通过纳米管.     

[C2MIM]+在碳纳米管中结构和性质的理论研究

采用密度泛函理论方法,系统研究了1-乙基-3-甲基咪唑离子 ( [C2MIM]+ ) 在三种不同管径的碳纳米管中的稳定结构、相互作用能和分子轨道性质. 研究表明,随着碳纳米管管径的增加,[C2MIM]+在碳纳米管内的稳定结构从居中的位置越发靠近碳纳米管的管壁,其与碳纳米管的结合能也从-45.52 kcal/mol降低到-39.45 kcal/mol. 通过分析[C2MIM]+在不同尺寸碳纳米管中的分子轨道排布,发现研究体系的HOMO轨道和LUMO轨道主要是局域在碳纳米管上,电子跃迁表现为π→π*,表明[C2MIM]+与碳纳米管之间为弱的范德华作用. 本研究为理解离子液体与碳纳米管之间的相互作用提供了重要的理论基础.     

缺陷碳纳米管限域金属Ti原子的理论研究

基于密度泛函第一性原理研究了金属原子Ti在原始、单空位缺陷(SV)、Stone-Wales(SW)缺陷碳纳米管内外的吸附情况.我们的计算结果表明金属Ti原子在缺陷碳纳米管内外结合能的排列顺序为:SVSW-zSW-xpristine(外吸附),SVSW-xSW-zpristine(内吸附).同时,我们通过吸附结构、电子密度和态密度等分析了Ti原子与碳纳米管的作用机制.其中,SV缺陷碳纳米管由于失去一个碳原子而形成了的三个悬键具有很强的结合能力,金属原子Ti在SV缺陷碳纳米管内外的吸附能力都是最强的.对于SW缺陷的碳纳米管,由于缺陷的位置不同,对于金属原子Ti内外吸附的能力也是不同的.因此,缺陷的存在能调节碳纳米管载体对Ti原子的吸附性能.     

碳纳米管内Ni纳米线的螺旋度与热稳定性研究

本文采用分子动力学模拟方法研究了扶手型碳纳米管包裹Ni纳米线的复合结构, 主要讨论内部Ni纳米线的螺旋度和热稳定性.结果表明, Ni纳米线为多壳层螺旋结构, 各壳层是由多条Ni原子链螺旋而成,不同层的螺旋度不同,内层的螺旋度明显大于外层. 当每层的Ni原子链条数为3的整数倍时,其螺旋度最大. Ni纳米线的螺旋度与碳纳米管的管径相关,各层螺旋度的大小随管径的增加有明显的周期性变化. 碳纳米管对Ni纳米线有很好的保护作用,即使是高温对Ni纳米线的结构及螺旋度也影响很小.     

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     

氧化锌/硫化锌异质纳米线结构和电子性质比较研究

用第一性原理方法系统研究氧化锌/硫化锌超晶格纳米线和核壳结构纳米线的结构和电子性质.结构优化后,氧化锌/硫化锌异质结构纳米线和纯氧化锌或硫化锌纳米线结构相似.对于两种异质结构纳米线,能带结构显示他们都是直接带隙半导体.对于氧化锌/硫化锌超晶格纳米线,随着径向厚度的增加,能带变的越来越水平.对于核壳结构纳米线,分波态密度显示它们都是Ⅱ型异质结构.研究有助于理解这类异质结构纳米线以及它们在电子发动机及光伏设备方面的应用.     

Cr掺杂ZnO纳米线电子性质和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了Cr原子单掺杂和双掺杂两种尺寸ZnO纳米线的电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能都比纯纳米线的形成能低,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.研究发现Cr原子趋于替代纳米线表面的Zn原子.所有掺杂纳米线都显示了金属性.纳米线的总磁矩主要来源于Cr原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Cr和O原子磁矩反平行排列,表明它们之间是反铁磁耦合.表面双掺杂纳米线铁磁态能量比反铁磁态能量低149 meV,表明Cr掺杂ZnO纳米线可能获得室温铁磁性.     

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     

C掺杂ZnO纳米线的磁性研究

运用第一性原理方法研究了C掺杂ZnO纳米线的电子性质和磁性质.研究发现C原子趋于替代纳米线表面的O原子.所有掺杂纳米线显示了半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于C原子2p轨道的贡献.由于杂化,相邻的Zn原子和O原子也产生了少量自旋.在超原胞内,C、Zn和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.铁磁态和反铁磁态的能量差达到了186meV,表明C掺杂ZnO纳米线可能存在室温铁磁性,在自旋电子学领域有很大应用前景.     

未钝化和H钝化GaN纳米线的电子结构

用密度泛函理论研究直径为9.5Å,15.9Å和22.5Å,未钝化和H钝化GaN纳米线的能带和态密度.结果表明:未钝化和H钝化GaN纳米线的能隙都是直接带隙,未钝化GaN纳米线的禁带宽度随着直径的增加减小,但是变化不明显,H钝化GaN纳米线的禁带宽度随着直径增大也是减小的,但是减小的幅度比未钝化的大.未钝化GaN纳米线表面N原子的2p电子主要聚集在价带顶,表面Ga原子的4p电子主要聚集在导带底,这两种电子都具有很强的局域性,而且决定着能隙值;加H钝化可以消除表面原子产生的表面效应.     

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     

接枝羧基的有限长碳纳米管电子结构的第一性原理研究

基于局域密度泛函理论，采用第一性原理方法，建立了对(5,5)型和(9,0)型有限长碳纳米管接枝羧基官能团的原子模型，通过计算其电子分布和态密度的变化，讨论羧基官能团对碳纳米管电子结构和电子输运特性的影响. 计算表明，接枝羧基的碳纳米管,其电子结构明显改变，其费米能级上的电子态密度下降；最高占据轨道上的非定域程度减弱,致使电子输运性能呈下降趋势. 关键词： 碳纳米管 密度泛函理论 电子结构     

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     

内嵌镧原子的磁性硅纳米线的第一性原理研究

基于密度泛函理论,系统研究了由两个La@Si_(16)组装而成的高度稳定的管状二聚体La_2@Si_(32)团簇.电子结构分析显示,内嵌La原子诱导的类sp~2杂化对于提高管状Si_(32)的稳定性至关重要.Mülliken布局分析显示,La_2@Si_(32)的总磁矩为2 μ_B,主要来源于两个La原子和第三、第六层的八个Si原子;电荷是由Si原子转移到了La原子上.此外,通过连接一系列La_2@Si_(32)单体而获得了一类组装的硅纳米线La@SiNW,研究结果显示La@SiNW具有金属导电特性,其总磁矩为2 μ_B.上述特征暗示具有磁性的La_2@Si_(32)和La@SiNW可能在自旋电子器件和高密度磁记录材料方面具有潜在的应用前景.     

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.     

RuH2和RuN2分子热力学稳定性的理论研究

用密度泛函B3LYP方法计算了RuH2和RuN2分子的结构和不同温度下的热力学函数及生成反应的标准焓变△H°、标准熵变△S°和标准自由能变△G°.结果表明,温度低于698.15 K时固态RuH2具有热力学稳定性,温度低于398.15 K时固态RuN2具有热力学稳定性.     

B36团簇组装一维纳米线的密度泛函研究

采用密度泛函理论计算方法系统研究了B₃₆团簇组装一维纳米线的几何结构、电子结构及稳定性.发现两种不同构型的B₃₆团簇组装纳米线静态结构能量相同,且均为动力学稳定结构,但二者电子结构明显不同:分别呈现出半金属和小带隙半导体特征.对两类纳米线的H原子吸附显示:半金属纳米线转变为半导体,而半导体纳米线仍保持为半导体,但带隙明显增大.表明H原子吸附对于B₃₆团簇组装纳米线的电子结构具有明显的调控作用.     

FeGe纳米线中外延应力导致的铁磁性

对在Ge(111)表面沿着＜11-0＞方向外延生长的单斜FeGe纳米线进行研究,结果发现,虽然块体单斜FeGe相是反铁磁性,其纳米线却在200 K以下表现出强铁磁有序.每个Fe原子的磁矩为0.8 μB.密度泛函计算揭示外延产生的晶格压缩使类派尔斯反铁磁基态失稳,从而稳定实验观察到的铁磁性.     

锥顶碳纳米管的结构稳定性与场致发射性能

运用密度泛函理论研究了锥顶碳纳米管的结构稳定性与电子场致发射性能.结果表明:在外电场作用下,该体系的结构稳定性明显优于碳纳米锥体、C₃₀半球封口的碳纳米管,且电子发射性能与锥角大小、锥顶构型密切相关,特别是锥角38.9°及棱脊型顶部的cone₁@(6,6)综合性能最优,用其作为场致发射源的阴极时可显著提高发射电流密度并延长器件的使用寿命. 关键词： 锥顶碳纳米管 电子场致发射 结构稳定性 密度泛函理论     

曲率对Rh在锯齿型单壁碳纳米管内外吸附影响的研究

利用密度泛函理论系统的研究了单壁碳纳米管的曲率对Rh原子在锯齿型碳管内外的吸附行为, 发现Rh原子在管外吸附比管内稳定; 随着碳管管径的增加, 曲率减小, 管内外吸附能的差值逐渐减小, 接近Rh原子在石墨烯上的吸附能. 电荷密度分析表明, 由于卷曲效应使碳纳米管管外的电荷密度大于管内, 随着曲率减小, 这种差别逐渐减小. 管内外吸附Rh原子的Bader电荷差值及局域态密度差别亦随着曲率的下降而减小, 这与Rh原子在管内外吸附能的变化规律相一致.