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碳纳米管的结构和光学性质研究

孟祥艳  
【摘要】:纳米材料是现在社会中研究的最热门的领域之一。随着对纳米材料研究的深入,碳纳米管也被纳米界广泛研究,其原因是碳纳米管拥有着奇特的电子结构、良好的物理和化学性质。碳纳米管在物理、化学和材料领域有着极好的应用前景,是纳米材料中最有潜力的优质材料之一。碳纳米管是准一维的纳米结构,具有很高的杨氏模量和拉伸强度,可以表现出光学各向异性,良好的线性和非线性光学性质,作为良好的储氢材料、制作灵敏度高的光学探测器、制作复合材料不和作为复合增强材料等等有着不可估量的应用前景。 本文通过透射电子显微镜(TEM)、Materials Studio6.0软件、能带结构与态密度、拉曼光谱(Raman)和光致发光光谱(PL)等分析了碳纳米管的结构和光学性质。对掺杂了的碳纳米管也做了同样的工作。 本文可以分为以下五部分来描述: 第一章:简单的介绍了碳的各种同素异形体,从而引出碳纳米管。接着介绍了碳纳米管在力学、热学、电学和光学方面的性质。而后介绍了碳纳米管研究的基础:碳纳米管的各种制备方法。最后介绍了碳纳米竹在人类生活中各个领域的潜在应用和实用价值,并分析碳纳米管的研究意义。 第二章:介绍了根据不同分类方法的碳纳米管的种类。接着介绍了依托于鼎足五边形定则和欧拉定理的碳纳米管的封帽结构,结构中存在着五元环和七元环。然后介绍了在透射电子显微镜下,多壁碳纳米管和掺杂了硼的多壁碳纳米管的结构并进行了分析。最后通过Materials Studio6.0软件中的计算模块,计算了掺杂和非掺杂的碳纳米管的能带结构和态密度,从而分析了碳纳米管的电子结构和掺杂对于碳纳米管能带结构和态密度的影响,更加有利于对掺杂了的碳纳米管的其他性质进行分析和研究。 第三章:简单的陈述了拉曼光谱的原理并对拉曼光谱仪进行了的简单的介绍,分析了本文所使用拉曼光谱仪的优缺点。接着介绍了本文实验所使用的碳纳米管的制备和处理方法。最后介绍了未掺杂和掺杂了Ag和BF2的多壁碳纳米管的拉曼光谱,通过对这两种拉曼光谱的分析,可以发现,掺杂可以明显的增强碳纳米管拉曼光谱的强度,而且峰的位置也有不同程度的移动,说明掺杂的电子向碳纳米管中转移,从而使之与碳纳米管形成了较强的共轭作用,提高了多壁碳纳米管的电导率。Ag的掺杂使得多壁碳纳米管的导电性提高到原来的四倍左右。而且Ag}的掺杂是重掺杂,从而使得光谱的强度增大。在1120cm-1附近有一处肩峰,产生的原因应该是Ag的注入使得碳纳米管中有Ag原了的存在;Ag和碳原子之间有电子的转移使得一些碳原子形成类似sp3键的结构。 第四章:简单的介绍了光致发光光潜的原理以及光致发光对于探测材料的影响。其次介绍了未掺杂和掺杂了Ag、B和BF2的多壁碳纳米管的光致发光光谱,多壁碳纳米管光致发光的过程,不是单个光子的激发过程.而是多个光子的激发过程产生的。不同的碳纳米管所需要的激发波长不同,而且发出的荧光也不相同。通过分析可以发现,不论是掺杂了Ag、B或者BF2的多壁碳纳米管,当激发波长改变时,光谱的位置和强度均发生了不同程度的改变。由此可以看出相同的多壁碳纳米管在不同的激发光波长下,光致发光峰的位置和强度都不相同,其光致发光依敕于激发光的波长。和未掺杂的多壁碳纳米管相比,掺杂对于其光致发光谱的影响随着激发波长的变化而不同。 第五章:对全文进行了总结和展望。


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