硅掺杂调节碳纳米管功能性质的理论研究

【摘要】碳纳米管由于独特的结构和优越的性质引起了科学家的广泛关注。本文基于量子化学计算对硅掺杂碳纳米管材料的团簇结构和周期性模型进行研究,重点关注硅原子掺杂取代体系的结构与功能关系,探讨掺杂对于碳纳米材料功能性质的调节,为其开发利应用提供理论参考与指导。论文的主要研究内容如下：1.基于密度泛函理论结合自洽场分子轨道法对扶手椅型碳纳米管(n,n)n=3～14和锯齿型碳纳米管(n,0)n=7～18进行计算,考察硅掺杂对于不同管径和手性碳管的影响。对掺杂碳管的几何结构、相对稳定性、电子性质、非线性光学性质以及芳香性等进行了系统计算和研究,并与纯碳管进行比较。发现掺杂不同管径和手性碳管,其结构均发生形变,硅原子的轴向量角明显大于碳原子。内聚能和吉布斯自由能结果显示硅掺杂导致碳管热力学稳定性降低。缺陷形成能的计算表明,掺杂缺陷的形成均为吸热过程,且缺陷形成能与碳管曲率呈线性标度关系。硅掺杂会改变碳管的前线轨道的能级和空间分布。其中对于扶手椅碳管更为明显。这是由于扶手椅碳管的前线轨道呈现高度离域化特点,与锯齿型碳管的边缘态定域化不同所致。施加电场的响应结果表明,硅掺杂将极大地提升碳管的超极化率。此外,还基于核独立化学位移研究了硅掺杂对于碳管芳香性的影响。一些位点在硅掺杂后发生了芳香性和反芳香性的转变。2.基于密度泛函理论结合自洽场晶体轨道法对扶手椅型碳纳米管(n,n)n=3～10和锯齿型碳纳米管(n,0)n=6～15的周期性模型进行了计算。计算结果表明,硅原子的轴向量角明显大于碳原子。内聚能和吉布斯自由能结果显示硅掺杂导致碳管热力学稳定性降低。掺杂缺陷的形成均为吸热过程。这些与基于团簇模型研究的结论相同。能带结构的计算表明,硅原子掺杂打开了扶手椅碳管的能隙,使其由金属导电性转变为半导体性。对于锯齿形碳管,硅掺杂后碳管的金属/半导体性质与未掺杂保持一致。基于数值方法对于硅掺杂碳管的杨氏模量进行了计算。发现,硅掺杂导致碳管杨氏模量减小,即硅掺杂降低了碳管轴向的力学性能。此外,还基于形变势和有效质量近似对于锯齿型碳管的载流子迁移率进行了研究。3.基于密度泛函理论结合自洽场分子轨道法研究了具有不同长度的锯齿型碳纳米管(12,0)。考察了掺杂密度和掺杂相位对于几何结构、相对稳定性和电子性质的影响。通过计算发现硅原子从碳管表面凸现出来,而且在杂化的碳管中硅原子具有明显比较大的轴向量角。通过计算内聚能、吉布斯自由能,发现硅掺杂的碳纳米管比纯碳管的稳定性低。反应热△E的计算结果表明,硅原子掺杂取代的碳纳米管最稳定的位置发生在碳管边缘的位置。此外,硅原子掺杂的碳纳米管的前线轨道能级变化很小,而且大多数硅原子掺杂的碳纳米管比纯碳管具有较大的能隙。
【作者】袁妮妮；
【导师】冀永强；白红存；
【作者基本信息】宁夏大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】碳纳米管；硅掺杂；晶体轨道法；杨氏模量；非线性光学性质；

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