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单壁碳纳米管的吸附机理及功能化研究

陈韵  
【摘要】:功能化纳米器件在纳米机电、生物技术以及电子信息领域均扮演着至关重要的角色。单壁碳纳米管凭借独特的一维拓扑结构、优异的电学、光学以及机械行为特性,成为了开发功能化纳米器件的热门材料之一,并已成功用于分子齿轮、生物探测器以及纳米集成逻辑电路。碳纳米管的吸附及与其他纳米材料的相互作用是实现功能化的关键,然而现阶段仍缺乏对于其吸附及相关摩擦行为的系统性机理研究。碳纳米管与吸附质之间的相互作用决定了体系的吸附行为,因此揭示碳纳米管结构、尺寸及介电性质等本征特性在吸附行为中的作用,并探讨吸附质结构、吸附构型、吸附位置以及吸附率对于吸附行为的影响是理解碳管吸附机理的关键所在。当碳纳米管与吸附基底发生相对运动时,吸附行为的连续性动态变化会进一步导致摩擦的产生。由于吸附行为动态变化的方式主要取决于碳管的运动模式,因此除需考虑材料的本征特性之外,分析运动方式对碳管与基底之间相互作用动态变化的影响,揭示运动行为的竞争机制是碳管纳米摩擦行为研究的核心要务。上述基础科学问题的研究不仅对于设计基于物理吸附的金属性/半导体性单壁碳纳米管的有效区分方法至关重要,同时还能够为合理设计碳纳米管基功能器件提供可靠的理论指导。因此,本论文利用多体色散修正的密度泛函理论方法(DFT+MBD)围绕上述问题对单壁碳纳米管展开了系统性研究。首先,我们研究了碳纳米管本征特性在吸附行为中的作用。我们利用各向同性的稀有气体Xe、Kr原子以及具有各向异性的正庚烷分子系统研究了金属性和半导体性单壁碳纳米管的吸附行为,揭示了碳纳米管的物理吸附行为主要取决于电荷密度振荡波。同时,发现两种碳管截然不同的介电性质导致了两者差异显著的物理吸附行为,而碳纳米管的直径、吸附质结构、吸附位置以及吸附率等特性也同样对其吸附行为具有重要影响。基于上述研究,我们依据正庚烷分子在金属性和半导体性单壁碳纳米管上差异显著的物理吸附行为,提出了一种基于物理吸附手段对两种单壁碳纳米管进行有效区分的方法。为进一步探讨吸附质对碳纳米管吸附行为的影响,我们研究了具有高度各向异性的平面Au_6团簇在单壁碳纳米管上的吸附行为,揭示了化学结合力、泡利排斥力、色散相互作用以及静电相互作用之间的平衡是Au_6团簇实现稳定构型的关键。同时,发现在吸附行为中色散相互作用的多体效应对于体系稳定性的影响能够通过泡利排斥力和化学结合力进行有效调控,同时其强烈依赖于吸附质的原子体积、各向异性以及吸附构型等特性。结果表明Au_6团簇在N掺杂(14,0)碳纳米管上能够实现平躺和站立双重稳态构型,因此基于该吸附体系实现了碳纳米管基分子开关的设计。基于上述吸附机理研究,我们进一步探讨了碳纳米管在石墨烯上的滚动、滑动摩擦机理及竞争机制,揭示了泡利排斥力主导滚动摩擦,多体色散相互作用决定滑动摩擦,并发现纳米尺度下显著的尺寸效应会导致随着尺寸增加碳纳米管的最优运动方式发生由滑动到滚动的转变。同时,我们通过Prandtl-Tomlinson模型进一步证明了碳纳米管滑动、滚动摩擦的粘性行为特性,并利用运动势垒对该体系的摩擦行为进行了理论模型构建,最终实现了对滑动、滚动粘性摩擦行为实验级别精度的准确预测。综上,本论文围绕碳纳米管的吸附机理及相关摩擦行为进行了系统研究。研究结果揭示了碳纳米管吸附的电子结构起源,以及滑动和滚动摩擦的竞争机制,为金属性/半导体性碳管的有效分离以及碳管基纳米器件的发展奠定了理论基础,并提供了新的设计思路。


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