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基于碳纳米管气敏传感器的理论研究

康文彪  
【摘要】:自碳纳米管被发现以来,其优良的力学、电学、磁学、光学及抗腐蚀等性质,迅速引起了科学界的极大关注,并激发了科学工作者的研究兴趣。碳纳米管具有很高的比表面积且表面有很多悬挂键,这就使得其对气体有很强的吸附性能。气体吸附在碳纳米管上后,大都会和碳纳米管之间发生电荷转移,这就导致碳纳米管费米能级发生变化,进而影响碳纳米管的电导率。气体吸附前后碳纳米管电导率的变化可以用来检测气体,因此碳纳米管在气敏传感器领域有着很好的应用前景。碳纳米管对不同气体具有不同响应且对同一气体不同浓度也有不同响应,这就使得碳纳米管气敏传感器不仅可以检测气体的种类还可以检测气体的浓度。研究表明,与传统的气敏传感器相比,碳纳米管气敏传感器具有响应速度快、恢复时间短、灵敏度高、可重复使用等优点。然而,纯净的碳纳米管只对氢气和氧气等很少的气体有很高的敏感性,对CO、NO等有毒气体并没有很好的响应,这就限制了纯净碳纳米管气敏传感器的发展。为了增加碳纳米管气敏传感器对这些有毒气体的气敏性,我们需要通过掺杂、修饰等手段对纯净的碳纳米管进改性处理。在纯净碳纳米管的研究基础上,本论文研究了硼、氮原子线掺杂对碳纳米管性质的影响。以其中的一种构型为例,我们研究了Cl2、NO、CO、H2等气体吸附在硼、氮原子线掺杂的碳纳米管上的情况,并计算分析了气体吸附对掺杂体系的电子结构的影响。这就为硼、氮原子线掺杂碳纳米管在气敏传感器的应用上提供了理论依据。具体研究内容如下:(1)首先,我们计算了H2吸附在(6,0)、(4,2)、(6,6)三种手性的纯净碳纳米管六元环的点位、桥位、空心位时体系的总能量。结果发现,无论是哪种手性的碳纳米管,其能量都是点位最低。能量越低体系越稳定,所以对于纯净的碳纳米管来说,H2吸附在碳纳米管点位最稳定。接着我们又计算了这三种纯净碳纳米管吸附H2前后的电导、I-V曲线,并分析纳米管手性的改变对于气体吸附所产生的影响。(2)其次,针对纯净碳纳米管对气体响应的局限性,本论文重点研究了硼、氮原子线掺杂的碳纳米管。我们分别选取了(5,5)扶手椅型碳纳米管和(8,0)锯齿形(3)碳纳米管作为硼、氮原子线掺杂的对象。将硼、氮原子六元环掺杂看做特殊的首尾闭合的线掺杂,再考虑扶手椅型掺杂和锯齿形掺杂,共有三种线掺杂方式。我们分别对这三种线掺杂的形成能、键长及能带进行了研究,分析了纳米管的手性与掺杂手性之间的联系。(4)在研究硼、氮原子线掺杂碳纳米管的气敏特性方面,我们选取稳定性最高的环状掺杂构型,分别计算并分析了Cl2、NO、CO、H2等气体吸附在六元环掺杂的碳纳米管后体系电子结构,讨论了吸附气体氧化性、还原性与掺杂碳纳米管手性的关系,为硼、氮原子环掺杂碳纳米管的气敏特性研究提供了理论支持。


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