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碳纳米管的制备、能带和电子发射计算

马贺  
【摘要】:本文主要研究了碳纳米管的制备、纯化、结构的模拟以及能带和场发射计算问题。 由于制备出高质量的碳纳米管是对其进行理论研究和应用研究的前提条件,因此本文采用石墨粉为原料,Fe、Co、Ni作为催化剂,FeS为助长剂,H2和Ar作为缓冲气体,应用等离子体电弧法来制备单壁碳纳米管。此外我们还采用了化学液相氧化法来提纯碳纳米管,通过电镜照片分析表明我们制备出了质量较好的碳纳米管,为制备优良的碳纳米管奠定了良好的实验基础。本文还利用计算机模拟出了单壁碳纳米管的结构,模拟效果形象、逼真。 因为固体能带理论是凝聚态物理中最成功的理论之一,固体的许多基本物理性质,原则上都可以由固体的能带理论阐明和解释,尤其在说明金属和半导体特性上很有成效。因此,本文从紧束缚模型出发,应用量子理论和固体能带理论,推导出了锯齿型、螺旋型单壁碳纳米管中π电子的能带表达式,并且在简约布里渊区中利用周期性边界条件和布洛赫定理绘出其能带曲线,通过对曲线的分析表明对于锯齿型单壁碳纳米管只有当m或n为3的整数倍时π电子的能带曲线中才有能量零点,也从另一个侧面证明了单壁碳纳米管的结构参数m、n满足m-n=3的整数倍时碳纳米管是金属型的,而其它的为半导体型的论据。 由于碳纳米管具有良好的场发射性能,将其作为扫描探针,可在电子显微学中得到重要的应用。因此本文在索莫菲的自由电子模型下应用量子理论、固体能带理论、统计理论等对碳纳米管材料场发射的电流密度(或电流)表达式进行了理论推导,并绘制出了电流密度与外电场关系的曲线。从结果可知,随着电场强度的增加,电流密度迅速变大,这与碳纳米管有很大的场发射电流相一致。通过对碳纳米管场发射电流密度的计算,从理论上对碳纳米管具有良好的场发射性能给予了解释,对碳纳米管在电子显微学方面的应用提供了一定的理论依据。


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