掺杂单壁碳纳米管的电子结构及量子输运与扭曲碳纳米管的储氢性能

摘要

碳纳米管自从被发现以来，由于它的独特的物理、化学性质和特殊的几何结构，在在未来高科技领域的许多潜在应用价值而倍受人们的关注，成为材料科学领域的研究热点之一。对碳纳米管进行掺杂能够进一步改善碳纳米管的物理与化学性质，能够拓宽碳纳米管的应用范围。因此，对掺杂碳纳米管上的研究也成为了现在纳米科学技术领域内的热点。这些研究既有实验上的研究也有理论计算方面的研究。近年来，由于能源短缺和环境污染的日益严重。开发绿色能源也成为了当今社会的主题。所以，对碳纳米管吸附氢的研究也成为了热点。本文主要对掺杂的碳纳米管进行研究。
　　 本文首先研究了磷原子以替位式方式对碳纳米管掺杂以及其对单壁碳纳米管的电子结构的影响。用基于密度泛函理论的第一性原理对掺P的单壁碳纳米管（SWNT）进行以下方面的计算：几何形状结构和电子能带结构，杂质的形成能、总能量、态密度和能带结构。得出在不同管径的P掺杂SWNT中，杂质的形成能随着管径的增大而增大，相同管径的SWNT的总能量随着掺杂浓度的增大而减小，不同位置杂质P和它附近的C所形成的键角不同，进一步得到不同位置杂质产生的杂质能级的位置也不同，这可能由C-P-C键角的大小可能决定。从结果中我们还得到P原子以替位式掺杂形式掺入到碳纳米管中是可行的，而且掺P的SWNT导电呈现出n型。
　　 其次，本文研究了向单壁碳纳米管中同时掺入硼原子和磷原子，构建一个p-n结结构。同样，对这种结构用基于密度泛函理论的第一性原理进行计算，Mayer bond order，能带结构、电子密度和态密度分别被计算。分析计算结果，可以得到B-PSWNTs有着不同于BN纳米管的特殊电子结构，金属型的单壁碳纳米管在同时参入B原子和P原子之后，单壁碳纳米管的高对称性被破坏而转向半导体型。B-PSWNTs内的成键形式被详细的研究。另外，Mulliken电荷布居和量子电导被计算以便分析该结构的量子输运性质。通过分析得到p-n结位置会随着外加电场的改变而发生变化，且这种结构呈现出二极管的特性。
　　 在文章最后，用基于密度泛函理论的第一性原理计算单壁碳纳米管对氢的可控吸附。通过计算发现当碳纳米管沿着管轴旋转扭曲后对氢的吸附作用显著增强。另一方面，单壁碳纳米管对氢的吸附能力取决于旋转的角度和管径大小。结合能随着管径大和扭曲角度的增大而减小。这个结论表明通过改变扭曲角度的大小可以控制单壁碳纳米管对氢的存储。

目录

文摘

英文文摘

1．绪 论

2．单壁碳纳米管的基本理论及应用

2．1 碳纳米管的几何结构

2．1．1 碳纳米管的分类

2．1．2 手性矢量

2．1．3 平移矢量T

2．1．4 对称性向量R

2．1．5 单胞和布里渊区

2．2 单壁碳纳米管的电子结构

2．2．1 布里渊区折叠

2．2．2 能量色散关系

2．3 碳纳米管的主要应用

2．4 碳纳米管的制备

3．磷掺杂对单壁碳纳米管电子结构的影响

3．1 前言

3．2 结构模型及计算方法

3．3 计算结果分析

3．3．1 几何结构优化和总能量

3．3．2 能带结构与态密度

3．4 本章小结

4．B/P共掺单壁碳纳米管电子结构及量子电导

4．1 前言

4．2 模型的建立和理论计算方法

4．3 结果分析

4．3．1 优化后的几何结构和总能量

4．3．2 能带结构、态密度和成键形式

4．4 量子化电导

4．5 结论

5．单壁碳纳米管对氢的可控存储模拟

5．1 前言

5．2 模型的建立和计算方法

5．3 优化后的几何结构和结合能

5．4 总结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢