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Au纳米线、单壁C纳米管包裹Cu原子链的结构和性质的第一性原理计算

杜秀娟  
【摘要】: 纳米科学技术使人们认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子领域。当纳米材料至少有一个维度达到纳米尺寸时,就会表现出一些不同于块体材料的独特的物理、化学性质。一维功能纳米材料一纳米线和碳纳米管,在介观领域的纳米器件研制方面有着非常重要的应用前景,它们可用作扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大集成电路的连线、光导纤维、敏感材料等,因此开发以一维功能纳米材料为基础的纳米电子器件将成为本世纪的焦点内容。 本文利用密度泛函理论框架下的第一性原理投影缀加波赝势方法研究了横截面为3x3,5×5,7×7,9×9和11×11原子层Au纳米线的弛豫结构和电子性质以及单原子Cu链裹在椅背型(6,6)和锯齿型(10,0)C纳米管的结合能和电子特性。得出以下主要结论: (1)对于五种尺寸的纳米线,弛豫结构仍然有四面体对称性;随着原子离纳米线中心初始距离的增加,弛豫量有增加的趋势。此外,弛豫方向由对角线原子的向内弛豫变为中线原子的向外弛豫,这表明“倒棱”现象的存在。纳米线外近邻原子的消失,一方面使得最初与表面原子所共有的电子消失,因此表面原子的总电荷量减少;另一方面,表面原子将把最初与消失近邻所共有的电子贡献给剩余近邻,这就使得表面原子以及表面原子与它们的第一近邻原子之间的相互作用增强。我们把这种现象称为“趋肤效应”。与块体相比较,趋肤效应增强了纳米线的力学性质和电子传输性质。此外,随着纳米线外近邻原子的消失,它们对表面原子中电子的约束减小,因此大多数的电子位于占据态的高能区域。事实上,本文得出的结论不仅适用于纳米线,而且也适用于纳米带、纳米管、纳米缆、团簇、薄膜等存在表面的情况。 (2)椅背型(6,6)和锯齿型(10,0)纳米管几乎能够理想地将一根Cu原子链裹在其中,尤其是裹在它的中心轴上。对于这两种纳米管而言,插入过程是完全放热的。我们希望用很小的力将更多的线性Cu原子链自然地拉入较宽的纳米管。在Cu(1)@(6,6)和Cu(2)@(10,0)结合体系中,电荷密度并不完全是纯C纳米管和单独的Cu原子链的电荷密度的叠加,这反映了在每个结合体系的两个成分之间存在着非常弱的相互作用。结合体系的成分之间的聚集电荷密度表明了Cu-C键是弱共价键,来自Cu原子链的耗散电荷密度有一个3d电子特性。由于相互作用并不为零,(6,6)和(10,0)C纳米管并不能充当Cu原子链的“完全惰性”容器。Cu(1)@(6,6)或Cu(2)@(10,0)结合体系的电子能带结构和态密度并不完全是它们的各个成分的态密度的叠加,这也反映了在外层C纳米管和内部的Cu原子链之间存在着非常弱的相互作用。观察发现Cu原子链和C纳米管之间存在着相反的影响。C纳米管对Cu原子链的束缚使得Cu链的最高峰略微向低能区域转移,即从单独Cu(1)原子链的-0.554eV到Cu(1)@(6,6)结合体系的-0.624eV,从单独Cu(2)原子链的-0.914eV到Cu(2)@(10,0)结合体系的-1.122eV。相反,Cu原子链的强金属性也增强了结合体系的金属特性。在费米能级附近,(6,6)C纳米管的较宽的平原区域变为Cu(1)@(6,6)结合体系的较窄的平原区域,有着小带隙的半导体性(10,0)C纳米管变为金属性的没有带隙的Cu(2)@(10,0)结合体系。与Cu(1)链相比较,Cu(2)链有着较高的Cu浓度因此Cu原子之间的相互作用较强,这不仅导致所有峰值向低能区域转移而且使得Cu(2)链因此Cu(2)@(10,0)结合体系在费米能级处的态密度出现一个新的峰值。费米能级‘附近新的峰值的出现使得D(EF)(单位为:states/eV cell)由Cu(1)原子链的1.89变为Cu(2)链的3.02因此由Cu(1)@(6,6)结合体系的1.97变为Cu(2)@(10,0)结合体系的3.99。从将来纳米电子的应用角度来看,Cu(2)@(10,0)结合体系比Cu(1)@(6,6)结合体系要好一些。


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