【摘要】：眾所周知,碳納米管(CNTs)自發(fā)現(xiàn)以來一直受到強烈的關(guān)注,由于微型計算機和碳基電子等應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展,需要CNTs在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨特物理化學(xué)特性。然而,因為CNTs的生長機理具有不確定性,所以目前還不能實現(xiàn)CNTs的結(jié)構(gòu)可控、大批量制備。通過選取特定結(jié)構(gòu)的碳納米團簇來構(gòu)造特定CNTs的核,并使用密度泛函理論(DFT),研究核的幾何結(jié)構(gòu)、從核到CNTs的結(jié)構(gòu)衍生過程以及其電子特性。這可以為實現(xiàn)CNTs結(jié)構(gòu)均一、可控的批量制備提供有意參考。文本詳實的研究了鋸齒型單、雙壁CNTs的結(jié)構(gòu)衍生與電子特性。考慮到,從碳納米團簇到CNTs結(jié)構(gòu)衍生的可能性,定義某一籠狀團簇為相應(yīng)鋸齒型單壁CNTs的核。我們在核的某一端堆砌碳原子,使用Gaussian03對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,結(jié)果表明核結(jié)構(gòu)可衍生為管狀團簇。通過研究不同長度管狀團簇的幾何結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在團簇較短時,管狀團簇通過全局重構(gòu)的方式逐層生長;團簇較長時,其通過局部重構(gòu)方式逐層生長。進一步研究不同長度的管狀團簇與相應(yīng)CNTs的平均結(jié)合能Eb,發(fā)現(xiàn)管狀團簇的Eb隨長度的增加逐漸趨于穩(wěn)定,并且與相應(yīng)CNTs的Eb接近;同時通過碳團簇相關(guān)熱力學(xué)量的研究,發(fā)現(xiàn)碳團簇的幾何結(jié)構(gòu)在與其相關(guān)的熱力學(xué)性質(zhì)上是比較穩(wěn)定的。最后對電子特性進行研究,表明鋸齒型CNTs的能帶結(jié)構(gòu)與手性指數(shù)n密切相關(guān)。即對(n,0)型單壁碳納米管(SWCNTs)和(n,0)@(2n,0)型雙壁碳納米管(DWCNTs),當(dāng)n=3q(q為整數(shù))時,CNTs具有金屬性,或表現(xiàn)出窄帶隙半導(dǎo)體性質(zhì);當(dāng)n≠3q時,CNTs表現(xiàn)出明顯的半導(dǎo)體性質(zhì),且隨管徑的增大,帶隙逐漸減小。值得注意的是,對于(n,0)@(2n,0)鋸齒型DWCNTs,當(dāng)兩個金屬性的SWCNTs嵌套時,能夠得到金屬性的DWCNTs;而兩個半導(dǎo)體屬性的SWCNTs嵌套,則可以得到半導(dǎo)體屬性的DWCNTs。特別的,管徑較小的CNTs,其電子特性由于曲率效應(yīng)的影響,會受到明顯的影響。如:n≠3q時,(4,0)、(4,0)@(8,0)和(5,0)@(10,0)呈現(xiàn)金屬性;n=3q的(6,0)@(12,0)則表現(xiàn)出明顯的半導(dǎo)體屬性。
【學(xué)位授予單位】：新疆師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O469
【圖文】：

如圖 2-1 所示，圖中 T 表示管軸， 和 是空間中石墨烯的單位矢量記為 n, m 。手性矢量可以表示為：h1 2C na ma在該等式中，a= 0.246 nm 是單位矢量 或 的大小。手性角 的余弦公式，則可以表示為：12 212cos2hhC a n mC an m nm 依據(jù)手性矢量 的不同，SWCNTs 可以分為三類：扶手型碳(Armchair nanotubes)、鋸齒型碳納米管(Zigzag nanotubes)和手性碳納米carbon nanotubes)。CNTs 的電學(xué)性能和螺旋度等物理指標(biāo)與其手性指數(shù)接相關(guān)，習(xí)慣上要求n m。當(dāng)n m，為扶手型 CNTs，其手性角 n＞ m 0時，得到鋸齒型 CNTs，手性角 0；當(dāng)n＞ m 0時，將其稱CNTs， 0 30。

在本文中，鋸齒型單、雙壁管狀團簇分別用 p ,k 和 p, k 1 @ 2 p, k 表表示沿軸向的六邊形數(shù)量即層數(shù)(確定長度)，p 表示每層所包含的六邊形個定管徑)。相應(yīng)的鋸齒型 SWCNTs 和雙壁 CNTs（DWCNTs）分別表示為 n n, 0 @ 2 n, 0 ，其中n p。An W[134]、Jensen F[135-136]等人研究了 C24團簇的籠狀、環(huán)狀和層狀構(gòu)型其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C24籠狀團簇具有較高的穩(wěn)定性；Wu H S[135]、Galli G人研究了 4 種 C24籠狀團簇的異構(gòu)體，結(jié)果表明由 12 個五邊形和 2 個六邊成的具有 D6對稱性的 C24籠狀團簇具有最高的穩(wěn)定性；另外，Chen Z[139指出由 12 個五邊形組成的籠狀團簇 C20有穩(wěn)定的能量與結(jié)構(gòu)；Lu X[140]，Ji141]等人給出小富勒烯 60 C中具有較高穩(wěn)定性的相應(yīng)籠狀團簇。根據(jù)上述研究結(jié)論，本文選取由 2p 個五邊形和 2 個 p 邊形組成的籠狀團為鋸齒型 SWCNTs 的核。其中(6, 0)的核(見圖 4-1)正是 C24籠狀團簇中由五邊形和 2 個六邊形組成的具有 D6d對稱性的籠狀團簇；而(5, 0)的核正是2 個五邊形組成的具有 Ih 對稱性的籠狀團簇 C20。

4 鋸齒型碳納米管的結(jié)構(gòu)衍生及碳團簇[6, 2]和[12, 1]，分別去處團簇兩頭的兩個六邊形和兩個十二口相接，每一端分別用 12 個五邊形連接，由此得到(6, 0)@(1Ts 的核。與討論Ts 的結(jié)構(gòu)衍生 4-2(a)展示了鋸齒型單壁管狀團簇 8 , k k 0,1,...,5 ，(b)展示了狀團簇 6, k 1 @ 1 2, k k 1,2,...,6 的衍生過程和相應(yīng)CNTs。這他不同管徑 p 的 CNTs 結(jié)構(gòu)衍生過程。t charge gained Most charge

【參考文獻】

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本文編號：2747360