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《清华大学》 2012年
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基于氮化硼的纳米管、纳米结和纳米网络的第一原理研究

刘蕊  
【摘要】:缺陷的存在对氮化硼纳米管(BNNT)的实际应用有着极其重要的影响。本文中我们应用第一原理方法,研究了BNNT中空位缺陷(V_B和V_N)和“空位-替位”复合缺陷的构型、电子结构、磁性质和吸附行为。同时,我们还首次在理论上构造了一系列由BNNT共价联结形成的纳米结和纳米网络。 我们研究了BNNT中V_B的两种不同构型,详细分析了它们的形成机制,发现它们的相对稳定性依赖于管径的大小。随着管径的增大,两种构型之间的相对稳定性将发生逆转。不同构型的空位具有不同的性质和应用。我们还研究了BNNT中由V_B引发的局域磁矩之间的磁耦合,发现沿管轴方向和环绕管轴方向排列的局域磁矩之间都没有长程磁耦合,不能得到宏观磁性。当向含有V_B的BNNT中注入一定量的负电荷时,体系基态变为铁磁性。同时,我们还研究了H和F原子吸附对体系性质的影响。 我们研究了BNNT中空位缺陷和C原子替位缺陷(CB和C_N)组成的复合缺陷的形成条件。比较四种复合缺陷的形成能,我们发现:在富氮环境中V_B-CB最容易出现,在富硼环境中V_N-C_N最容易出现。在四种复合缺陷的最稳定结构中空位和替位都聚集在一起形成“五环-九环”孔洞,这时单缺陷之间的相互作用使体系能量降低。在V_B-CB和V_N-C_N的最稳定结构中原来含有悬挂键的B3(N3)原子和C原子之间生成了双键,两种单缺陷的磁性都消失且化学活性减弱。该研究使我们对在不同实验条件下制备出的BNNT的性质有了进一步了解,为在实验上调控BNNT的性质提供理论支持。 我们首次在理论上构造了T型、L型、X型和Y型BNNT纳米结,讨论了结点处多边形缺陷的分布和B-B(N-N)键的形成对不同纳米结之间相对稳定性的影响,发现在大多数情况下,八边形缺陷的出现可以增加结构的稳定性。基于优化的纳米结结构,我们构造了多种周期性纳米网络。在二维网络中,六角型网络比正交型网络稳定;在三维网络中,金刚石型网络最稳定,正交型网络最不稳定,六角型网络居中。同时,纳米网络的稳定性与其维度无关。我们还发现不同纳米网络的带隙在一个较大的范围内变化,可以通过改变网络结构调节材料的带隙。这些BNNT纳米结构在分子输运管道、多孔材料和纳米电子器件等多个领域具有潜在应用。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1;O613.81

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