单壁碳纳米管连接结中缺陷移动与修复的分子动力学研究

【摘要】：单壁碳纳米管(SWCNTs)连接结是一种潜在的理想结构,Ouyang等人在science上曾报道制备出(22,-5)/(21,-2)和(11,8)/(9,6)两种碳纳米管连接结。2004年Hashimoto等人也通过电子辐照制作了一个混合手性(17,0)/(18,0)单壁碳纳米管连接结。由此可见,碳纳米管连接结是存在的并且可以通过辐射诱导制作的。本文采用分子动力学模拟方法,研究了拓扑缺陷单壁碳纳米管连接结的形成规律,并探讨了高温下这些碳纳米管连接结中缺陷移动与修复的微观机制。研究结果主要包括以下几个方面: 1、采用分子动力学方法模拟了单壁碳纳米管连接结的形成过程。采用Tersoff势函数描述碳原子间的相互作用,将相邻锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管进行对接,通过分子动力学模拟高温退火后得到拓扑缺陷单壁碳纳米管连接结的结构,结果表明:不同手性的单壁碳纳米管对接可以形成有规律的连接结结构,且连接处是由五七边形组成的拓扑缺陷,与之前的实验研究结果相一致。 2、以(7,0)/(8,0)锯齿型和(6,6)/(7,7)扶手型碳纳米管连接结为例探究了单壁碳纳米管连接结的热稳定性,结果表明:在高温条件下,五七拓扑缺陷中的五边形两翼的两个C原子拥有较低的移除能,更容易被蒸发离开体系。 3、提出高能量的原子优先被蒸发的机制,采用分子动力学方法先模拟了(7,0)/(8,0)锯齿型拓扑缺陷单壁碳纳米管连接结中缺陷在高温下的移动与修复的动力学过程。结果表明:由一对五七边形拓扑缺陷组成的单壁碳纳米管连接结,缺陷处的C原子由于高温或者受辐射被蒸发而得到自我修复,拓扑缺陷能沿着碳纳米管直线或者螺旋方向朝半径大的一端移动,且移动呈现出一定的规律性。随着原子的不断蒸发离开体系,发现扭结既有直线运动又有螺旋运动。 4、按照高能量的原子优先被蒸发的机制,模拟了(6,6)/(7,7)扶手型拓扑缺陷单壁碳纳米管连接结在高温下的移动与修复情况。模拟结果表明,与(7,0)/(8,0)锯齿型拓扑缺陷单壁碳纳米管连接结中缺陷的移动路径大不相同。随着原子的蒸发离开体系,(6,6)/(7,7)扶手型碳纳米管中扭结的移动路径呈现出非常有趣的螺旋路线,一对五七拓扑缺陷从分开到重合再分开。缺陷的移动路径很大程度上取决于碳纳米管的手性。 按照高能量的原子优先被蒸发的机制所模拟的结果与实验观察到的扭结直线或螺旋运动相吻合。其研究结果对理解实验中观察到的高温下碳纳米管缺陷的自我修复现象有帮助,对探索碳纳米管电子器件的制作具有一定的指导意义。