稀有气体原子注入纳米碳管的动力学行为研究

摘要

纳米碳管(Carbonnanotube，CNT)是碳家族中的新成员，它是理想的、分子级的准一维纳米材料，结构的特殊性使得它具有优异的力学、热学、化学和电学性质。纳米碳管具有丰富的孔结构，开口的纳米碳管可以用作纳米级化学试管、虹吸管、储气材料、纳米器件等。因此，研究其它物质注入纳米碳管形成复合物的机制，在揭示物化特性、储氢机理等方面具有特殊的理论意义，并可促进相关的储气材料和纳米器件的开发，其实用价值不可低估。 然而，纳米碳管的纳米级尺寸、复杂的测试方法及昂贵的测试设备在很大程度上限制了人们对它的了解和研究。因此使用计算机数值模拟方法和简化的物理模型，对其进行模拟就显得更为实用。由于纳米碳管包含的原子数目非常多，无法直接进行解析求解：用量子化学方法其计算量会大得惊人，因而不太现实；从头计算中需要引入标度因子而增加了计算结果的不确定性。然而半经验势分子动力学模拟方法可以克服以上的困难，从而成为研究纳米碳管的可靠且有效的计算方法。 本论文采用TLHT势和经典分子动力学方法(ClassicalMoleculardynamics，CMD)，研究了稀有气体原子(He、Ne、Ar、Kr、Xe)注入单壁纳米碳管(Single-wallcarbonnanotube，SWCNT)的动力学行为。 首先，模拟了稀有气体原子注入缺陷性单壁纳米碳管的过程。计算出稀有气体原子分别从管壁缺陷处和管口处入射时，它们能封装在单壁纳米碳管中的能量阈值Ek0，并与理想结构情形做了比较。模拟结果表明：随着管壁缺陷半径r的增加，Ek0减小；当r小于4.5(A)时，给定合适的初始动能，稀有气体原子能封装在纳米碳管中；而r为4.5(A)时，稀有气体原子不能封装在碳管中，且此时缺陷对Ar、Kr和Xe的输运特性有很大影响，即它们不再是从另一端管口跑出，而是从缺陷处跑到管外。经过分析得出：管壁缺陷也是其它物质进入碳管形成内嵌复合物的位置，而且3.5(A)是封装稀有气体原子的最佳缺陷半径。 然后，模拟了稀有气体原子从管口注入单壁纳米碳管的动力学过程。计算得出SWCNT能吸入稀有气体原子的管径阈值r0分别为6.264(A)，7.046(A)，8.612(A)，8.612(A)，8.61(A)，同时计算了此时对应的每种稀有气体原子能封装在不同管径的单壁纳米碳管中的最大初始动能。计算得到的结果是：封装在纳米碳管中的稀有气体原子在管中不停地作周期性振荡，振荡周期与原子进入管中的能量无关，振幅与原子进入管中的能量有关，即振幅随着入射能量的增加而增加，同时对其物理机制作了详细的分析。研究表明：给定合适类型的碳管和很小的初始动能，在不偏离管轴太大的位置，稀有气体原子即可在碳管中做稳定的无阻尼振荡(频率可达GHz)。从而在理论上用单个原子在纳米碳管中运动构造出了稳定的高频纳米振荡器。 本工作为相关的纳米碳管内嵌复合物的形成机制，以及制备相关的纳米器件比如纳米活塞、高频纳米振荡器等提供了部分理论依据。

目录

摘要

1前言

2纳米碳管简介

3分子动力学方法和相互作用势

4稀有气体原子注入缺陷性纳米碳管的机制

5稀有气体原子在纳米碳管中的周期性振荡

6论文总结和展望

参考文献

致谢

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