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《山东大学》 2006年
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硼掺杂碳纳米管结构和气敏性能的理论研究

张月梅  
【摘要】:碳纳米管传感器具有响应时间短,灵敏度高,工作温度低等优点,是制作气敏传感器的理想材料。实验上通过测定吸附气体分子前后碳纳米管电导率的变化,实现对气体分子的检测。但是,一些毒性气体(如CO,NO,HCN等),H_2O分子,以及多数生物分子,与碳纳米管之间没有相互作用或者作用很弱,因此纳米管对此类分子没有敏感性。为了克服这种局限性,科学界提出了通过对碳纳米管进行各种物理或化学修饰等手段改变其性能,制备功能性碳纳米管,用以检测各种气相组份。我们以硼掺杂方法为例,用理论化学方法研究了功能性碳纳米管对氰化物和氨气的气敏性。理论化学方法从原子分子水平上揭示硼掺杂对纳米管电子结构和性能的影响,不仅具有重要的理论意义,而且能够为开发和设计新型的气敏元件提供理论参考。 本文采用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)研究掺杂硼原子对碳纳米管的改性和硼掺杂碳纳米管对氰化物和NH_3的气敏性能。我们的研究基于DMol~3程序,使用Perdew和Wang提出的局域密度泛函LDA函数和包含d极化函数的双数字基组(DND)。通过计算优化了体系的构型,计算了吸附能、前线轨道能级差和气体分子与纳米管之间的电荷转移。为讨论纳米管体系的电性质,分析了体系的电子态密度。 我们以(8,0)和(5,5)碳纳米管为例,研究了硼掺杂对纳米管性质的影响。结果显示,掺入硼原子会引起纳米管几何和电子结构的改变,从而导致其电性质发生变化,使得碳纳米管活性增大,因此我们推测硼掺杂可以增强纳米管的气敏性能。 通过计算氰化物—纳米管体系,我们发现纯的(8,0)碳纳米管与氰化氢和氯化氰之间仅靠弱的van der Waals力相互作用,没有电荷转移,因此,纯碳纳米管对氰化物没有敏感性。当碳纳米管中的某些碳原子被硼取代以后,纳米管上出现空穴,成为p型半导体材料。它与富电子的氰化物分子作用时,从氰化物分子向硼掺杂碳纳米管发生电荷转移,显著的改变了纳米管的导电性,使得半导体纳米管显示金属性。通过测定硼掺杂碳纳米管的电导率在吸附氰化物分子前后的变化,即可实现对氰化物的检测。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:O613.71

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