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形变单壁碳纳米管的电子学特性研究

傅青方  
【摘要】:当前电子技术的发展趋势要求单个器件尺寸的进一步减小、功耗越来越小以及响应速度的进一步加快,因此一些具有分子尺度大小的导体和纳米器件出现了,这时由于量子力学方面的限制,原有的电子学理论失效,而纳米电子学作为材料学、量子化学和凝聚态物理等相互交叉的学科诞生了。在纳米器件材料中,碳纳米管因其特有的中空管状结构、重量轻以及高比表面和高长径比赋予了其优异的力学、热学、电子学和磁学等性能,不仅可以作为研究低维量子系统及器件的一个理想对象,同时也在材料学和电子学方面具有十分广阔的应用前景。单壁锯齿形碳纳米管因其结构相对简单,是人们研究复杂碳纳米管的基础,同时实验室制备的碳纳米管大多是封口的,而且还存在不同种类的形变和缺陷,因此,对其进行了一些电子学特性和传导特性的研究是很有必要的。 本论文采用基于第一性原理的密度泛函理论和非平衡格林函数方法,利用Gaussian和VNL软件对多组单壁锯齿形碳纳米管开口和封口单壁碳纳米管产生的弯曲、扭曲以及拉伸形变进行了系统的模拟计算和研究,包括带隙结构、前线轨道密度、Milliken电荷数、电子输运特性、态密度和系统总能量等,并获得了一些比较有意义的结论,这对基于单壁碳纳米管的电子器件的开发和实际制备具有重要意义。 首先,对几组不同弯曲形变开口锯齿形单壁碳纳米管和封口单壁碳纳米管的电子结构、电子传输及稳定性进行了研究。发现随着弯曲度递增其能隙逐渐变窄,Milliken电荷主要聚集在碳纳米管弯曲内侧,电子活动更加活跃,传输能力也发生明显的变化,电导具备一定的周期性,稳定性却逐渐降低。其原因是弯曲内侧的碳碳双键变成了三键结构。另外,封口相对开口碳纳米管电子传输能力稍差,但稳定性有一定程度的提高。 其次,对于不同扭曲形变开口锯齿形单壁碳纳米管和封口单壁碳管电子结构、电子传输性能与稳定性也进行了系统的模拟计算。结果显示扭曲形变使碳纳米管能隙变得更窄,由此电子传输能力得到了提升,Milliken电荷基本都聚集在碳纳米管端口处,但稳定性降低,电导都发生周期性变化。其原因也是键结构发生了变化。另外,封口与开口碳纳米管虽然电子传输能力相当,但稳定性更好。 基于以上两种碳管形变和封口的讨论,对拉伸形变的碳纳米管也进行了理论计算和模拟,研究发现虽然Milliken电荷在碳管端口处都比较活跃,电导变化也都具有周期性,但拉伸形变使其能隙明显增大,导电性变弱,稳定性也逐渐降低,这是因为拉伸形变使得碳管键型发生了改变。另外,开口与封口碳管传输能力相当,但给碳管封口能提升其稳定性。 最后,总结了三种不同形变的开口和封口型碳纳米管的电子结构和特性变化,发现形变对碳纳米管的电子结构和传输性能有很大的影响。封口虽然不能特别改善碳管的性能,但能明显提高其稳定性。其结果对进一步揭示碳纳米米管材料的微观结构具有一定的理论意义。


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