曲率效应对金属碳纳米管局域化长度的影响

基于pi轨道紧束缚模型,并考虑曲率效应的影响,解析地推导了金属（即扶手椅型）碳纳米管的局域化长度。发现,考虑曲率效应后,扶手椅型碳纳米管的局域化长度变长;还发现,曲率效应对扶手椅型碳纳米管局域化长度的影响随碳纳米管的半径的增加而迅速减小。     

曲率效应对扶手椅型碳纳米管电子性质的影响

在考虑曲率效应对扶手椅型碳纳米管(SWNt)最近邻碳原子交叠积分影响的情况下,利用紧束缚模型和玻恩-卡门边界条件解析地推导扶手椅型SWNT的能带、态密度和电子公有化运动速度.对扶手椅型SWNT电子性质的分析发现:考虑曲率效应后扶手椅型SWNT仍然是金属管,但其能带的总能减小,其态密度的导电平台变窄且其电子公有化运动速度变小.     

形变小直径扶手椅型碳纳米管的电子性质

在紧束缚近似下,解析地推导了轴向拉伸和扭转形变下小直径单壁碳纳米管(SWNT)的能量色散关系.分析了拉伸和扭转形变对小直径扶手椅型SWNT的电子性质的影响.结果表明,在拉伸形变下扶手椅型SWNT仍然是导体,但其费米速度随拉伸比的变大而变大;在拉伸比不变的情况下,考虑曲率效应后其费米速度变大.在扭转形变下,扶手椅型SWNT变成了半导体,其能隙随扭转度的变大而变大;在扭转度不变的情况下,考虑曲率效应后能隙变化不大.     

非磁性杂质对碳纳米管态密度的影响研究

针对非磁性杂质对碳纳米管的影响问题作了系统理论的分析,为设计和实现具有优良性能的基于碳纳米管的量子器件提供理论依据.应用格林函数方法计算态密度的结果表明,单个点缺陷在碳纳米管中引起准束缚态;给出准束缚态能级和峰宽的解析公式,分析它们与碳纳米管手型和直径之间的关系;逐点计算局域态密度发现,在实空间准束缚态是一个非常局域化的效应,离开缺陷即迅速衰减.同时,缺陷在碳纳米管中会引起Friedel振荡,其方向与碳纳米管手型有关.     

高温加热单壁碳纳米管的分子动力学研究

运用紧束缚分子动力学方法,模拟了单壁碳纳米管(SWCNT)在真空中高温受热形变直至破裂的过程。为研究不同手性角对碳纳米管性能的影响,选取半径相近、长度相同的(5,5)扶手椅型碳纳米管和(9,0)锯齿型碳纳米管进行模拟,两者的手性角分别为30°和0°。结果表明,扶手椅型碳管比锯齿型碳管具有更好的热稳定性和耐高温性。(9,0)锯齿型碳管在4700 K左右就开始破裂,而(5,5)扶手椅型碳管在5400 K左右才开始破裂。另外在高温下扶手椅型碳管的端口比锯齿型碳管的更易封闭,这可能意味着它们具有不同的生长方式。封口有助于减少端口的悬挂健,降低体系的能量。     

非磁性杂质对碳纳米管态密度的影响研究

针对非磁性杂质对碳纳米管的影响问题作了系统理论的分析,为设计和实现具有优良性能的基于碳纳米管的量子器件提供理论依据.应用格林函数方法计算态密度的结果表明,单个点缺陷在碳纳米管中引起准束缚态;给出准束缚态能级和峰宽的解析公式,分析它们与碳纳米管手型和直径之间的关系;逐点计算局域态密度发现,在实空间准束缚态是一个非常局域化...     

轴向拉伸对扶手椅型碳纳米管电子性质的影响

解析推导了轴向拉伸情况下扶手椅型碳纳米管的能量色散关系和波函数，并分析了轴向拉伸对扶手椅型碳纳米管能带、导电性能、费米波矢、费米点及费米面处的有效质量的影响在小的轴向拉伸下，扶手椅型碳纳米管仍然是良好的导体，但其费米波矢、费米点及费米面处的有效质量都发生了变化.     

有限元方法的小管径单壁碳纳米管杨氏模量预测

针对小管径单壁碳纳米管性能参数在实验中测量困难,以及现有计算机模拟方法时间长的问题,采用分子结构力学理论结合有限元方法,对小管径单壁碳纳米管的杨氏模量进行了研究.基于ANSYS软件平台,利用参数化设计语言建立了扶手椅形、锯齿形、螺旋形单壁碳纳米管分子三维有限元模型.在纯轴力作用下,对单壁碳纳米管分子模型进行加载,并考虑管径厚度和手性,得出了单壁碳纳米管的杨氏模量值.模拟结果表明,单壁碳纳米管的杨氏模量值在0.9-1.14 TPa之间,具有随管径和螺旋角增加而增大的趋势,且在小管径范围内具有尺度效应.     

有限长度碳纳米管的一维链模型

碳纳米管独特的电子性质使其在纳米电子器件中有很好的应用前景,而其电子性质强烈依赖于其手征性和长度,这使得研究它的有限尺寸效应有重要意义。该文采用一维线性链模型模拟有限长度扶手椅型碳纳米管的轴向边界条件,通过求解紧束缚近似下的一维线性链的本征值和本征矢,得到了碳纳米管能隙随着长度的振荡特性,并且给出了它最低未占据分子轨道和最高占据分子轨道的波函数模的平方。此方法计算得到的波函数模的平方与利用四轨道紧束缚方法计算碳纳米管体系所得的结果,在形状以及量值方面吻合得很好。证明了一维线性链模型可以描述纳米管的轴向边界条件进而给出纳米管的电子结构性质。     

有限长度碳纳米管的一维链模型

碳纳米管独特的电子性质使其在纳米电子器件中有很好的应用前景,而其电子性质强烈依赖于其手征性和长度,这使得研究它的有限尺寸效应有重要意义。该文采用一维线性链模型模拟有限长度扶手椅型碳纳米管的轴向边界条件,通过求解紧束缚近似下的一维线性链的本征值和本征矢,得到了碳纳米管能隙随着长度的振荡特性,并且给出了它最低未占据分子轨道和最高占据分子轨道的波函数模的平方。此方法计算得到的波函数模的平方与利用四轨道紧束缚方法计算碳纳米管体系所得的结果,在形状以及量值方面吻合得很好。证明了一维线性链模型可以描述纳米管的轴向边界条件进而给出纳米管的电子结构性质。     

缺陷对单壁碳纳米管电子结构调制的第一性原理计算

用密度泛函理论计算不同浓度点空位缺陷对扶手型和锯齿型碳纳米管电子结构的调制, 并对其键长、 缺陷形成能、 带隙及电子态密度进行分析. 结果表明： 随着缺陷浓度的增加, 邻近碳原子间化学键键长减小, 扶手型碳纳米管带隙打开, 由金属性质变为半导体性质, 锯齿型碳纳米管带隙逐渐变小; 碳原子缺失使缺陷附近未成键的悬键电子局域在Fermi能级附近形成额外的电子态而改变了碳纳米管的电子结构.     

氮掺杂单壁碳纳米管结构的第一原理计算

利用第一原理, 通过密度泛函理论计算掺杂氮原子的单壁碳纳米管几种可能的几何结构. 研究表明, 含氮的锯齿型单壁碳纳米管比含氮的扶手椅型单壁碳纳米管的几何结构稳定; 在富含氮的单壁碳纳米管中, 径向形变比轴向形变明显, 并讨论了掺杂氮后碳纳米管中碳氮原子间的键合情况.      

原子空位缺陷对扶手椅形单层碳纳米管轴压屈曲性能的影响

采用分子动力学方法,分别对含单、双原子空位缺陷的扶手椅形单层碳纳米管及其完善结构进行轴向压缩的数值模拟,对比两种长度纳米管在不同温度条件下的承载性能.模拟结果表明,温度越低、碳纳米管的长度越长,完善纳米管屈曲强度的温度依赖性越显著.管壁缺陷显著降低了纳米管的承载能力,而且含缺陷碳纳米管的屈曲性能对温度变化并不敏感.     

不同结构单壁碳纳米管热传导的分子动力学模拟

采用基于线性响应理论的平衡态分子动力学方法,计算了扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管(SWNTs)的导热系数,并给出其随管长、直径和温度的变化.在此基础上,对2种结构SWNTs的热传导性能进行了比较.模拟结果表明:SWNTs的导热系数在管长较短时随着管长的增加有所浮动但并不收敛,随温度的升高,导热系数将降低;2种结构SWNTs的导热系数均随着直径的减小而升高,且在相同直径时,不同结构碳纳米管的导热系数相差不大,这与输运方程进行理论求解的结果较为一致.     

集中荷载下碳纳米管的弯曲及其分子动力学模拟

利用圆柱壳半无矩理论研究了悬臂碳纳米管在集中荷载作用下的弯曲问题,得到了该问题的内力解和位移解,并通过分子动力学模拟验证了理论解的适用性.研究结果表明,当锯齿型碳纳米管长径比为5.2～12.0、扶手椅型碳纳米管长径比为5.5～18.0时,理论解与分子动力学模拟结果较为吻合.     

单壁碳纳米管热稳定性的模拟研究

运用紧束缚近似分子动力学模型,模拟研究了各种单壁碳纳米管(SWCNTs)在300~4 000 K范围内的热稳定性.结果表明:手性碳管的热稳定性明显优于其它类型的碳管,半径相近的单臂管比锯齿管更稳定.在深入分析碳纳米管内碳键结构的基础上,进一步探讨了各种碳管的碳键从sp2向sp3转变的情况,利用键重构对碳管的热稳定性给出了理论解释;通过平均能量和温度的关系曲线分析,研究碳管热稳定性的变化.     

Dielectrophoretic assembly of carbon nanotubes and stability analysis

Nanoscale dimensions and remarkable properties of carbon nanotubes make them promising building blocks for nanoelectronics.One requirement is the need to manipulate single or multiple carbon nanotubes to bridge electronic conductors.In this paper,multi-walled carbon nanotubes with a variety of sizes are assembled onto electrodes using alternative current electric felds by dielectrophoresis.The effect of the dielectrophoretic parameters and the nanotube size as well as the length uniformity on the assembly is experimentally investigated.Current–voltage characteristics of assembled carbon nanotubes are measured.The experimental results showed that both the dielectrophoretic parameters and length uniformity of carbon nanotubes have an infuence on the stability of assembly results.Choosing uniform carbon nanotubes with an appropriate length and suffcient stiffness,which are more controllable by dielectrophoresis,is necessary for an assembly of a small number of carbon nanotubes.     

氟掺杂对碳纳米管场发射特性的影响

首先建立有限长两端开口、一端封闭、两端封闭的(5,5)型单壁碳纳米管的分子模型,采用原子替代方法得到氟掺杂结构.在此基础上,利用基于局域密度泛函理论的第一原理方法对其进行几何结构优化,再计算其结合能、费米能级和电子态密度等,从而讨论氟掺杂对三种碳纳米管场发射特性的影响.计算结果表明,掺氟后三种碳纳米管的费米能级明显升高,其中一端封闭的单壁碳纳米管的费米能级成线性增大,两端封闭的单壁碳纳米管的费米能级升幅最大,且费米能级处的电子态密度较高,说明两端封闭和一端封闭的单壁碳纳米管经氟掺杂后比两端开口的单壁碳纳米管将在场发射上有着更好的应用前景.