硅及第三族氮化物納米管穩(wěn)定性及相關(guān)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、碳納米管可以看成是由平面的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管是直徑很小的一維材料，具有奇特的光電性質(zhì)和良好的潛在應(yīng)用前景。其后的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明類似石墨烯片層結(jié)構(gòu)的其他材料，如六方氮化硼和二硫化金屬化合物等，也可以形成類似的管狀結(jié)構(gòu)?；趯ζ渌w系研究的成功，人們對硅和第三族氮化物納米管采用碳管形態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論，預(yù)測并得到了很多有意義的結(jié)論。 目前還沒有明確的單壁硅納米管被合成，報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)彼此間相差很大。但

2、是實(shí)驗(yàn)研究證明硅納米管的結(jié)構(gòu)與電子等性質(zhì)間存在密切聯(lián)系。對于第三族氮化物納米管同樣，實(shí)驗(yàn)報(bào)道氮化鋁和氮化鎵的結(jié)構(gòu)都是基于sp3雜化的纖鋅礦納米管等，而基于sp2雜化的碳和氮化硼納米管結(jié)構(gòu)間存在明顯的差別?；谶@些現(xiàn)象，本論文通過運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法探討了硅單壁硅納米管的可能結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上探討了各結(jié)構(gòu)相應(yīng)的硅納米管吸收光譜。對第三族氮化物利用簡化模型解釋了為什么可以形成六方結(jié)構(gòu)的第三族氮化物納米管在形成納米管時(shí)差別明顯差別。并提出了用

3、“苯”類似簡化模型判斷具有穩(wěn)定π共軛平面結(jié)構(gòu)形成碳管結(jié)構(gòu)納米管的可行性。研究工作主要包括以下三個(gè)方面：1.本文通過對三種結(jié)構(gòu)硅納米管的對比研究闡述了可能的單壁硅納米管結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，基于sp3雜化的硅納米管具有最大的穩(wěn)定性。在基于sp2雜化的硅納米管中，椅式納米管由于pz軌道最好的重疊和π電子良好的離域性而具有在碳管形態(tài)納米管中相對最大的穩(wěn)定性?；趕p3雜化的硅納米管中由于垂直管軸方向上σ軌道形成的πσ-πσ鍵表現(xiàn)出的π鍵特點(diǎn)，使△E

4、HOMO-LUMO進(jìn)一步縮小。所以三種小直徑的硅納米管都是金屬性的。2.利用LDM方法計(jì)算了三種硅納米管的電子吸收光譜的。通過對比研究電子吸收光譜發(fā)現(xiàn)：隨硅納米管長度的增加各種納米管的徑向特征吸收峰都會發(fā)生紅移，對三種結(jié)構(gòu)同等長度的硅納米管都表現(xiàn)出隨管徑增加而對應(yīng)的吸收峰藍(lán)移的特點(diǎn)。其中sp3雜化的多方硅納米管的定向發(fā)光性最強(qiáng)。利用INDO/S參數(shù)獲得的最穩(wěn)定無限長的單壁五方硅納米管的平行管軸方向的兩個(gè)特征吸收峰分別為3.0eV和4.7

5、eV附近，其中3.0eV對應(yīng)的躍遷因πσ-πσ鍵表現(xiàn)出π-π*躍遷的特征，所以在基于sp3雜化的多壁硅納米管中不會出現(xiàn)。對(3，3)和(4，4)椅式硅納米管得到INDO/S參數(shù)下無限長硅納米管的唯一特征吸收峰分別位于2.5eV和2.7eV左右。雖然之式硅納米管的pz軌道重疊不如椅式硅納米管，但是對應(yīng)的吸收峰還是表現(xiàn)出π鍵到π*鍵的特征，說明硅納米管在pz軌道不飽和的時(shí)候表現(xiàn)出良好的發(fā)光性能。 3.利用椅式、之式碳納米管結(jié)構(gòu)和纖鋅

6、礦納米管結(jié)構(gòu)對比研究了碳、氮化硼、氮化鋁和氮化鎵四種物質(zhì)的不同納米管形態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明碳和氮化硼更傾向于能量最小化的碳管形態(tài)納米管。而氮化鋁和氮化鎵不可能形成碳管形態(tài)的納米管結(jié)構(gòu)。主要的原因是由于Al(Ga)和N原子間pz軌道的重疊形成的化學(xué)鍵中較弱，并且具有很高的離子Ⅰ鍵成份。這種較弱的共價(jià)鍵成份造成它們“彎折結(jié)構(gòu)”的不穩(wěn)定性。并提出了用“苯，，類似物的結(jié)構(gòu)判斷具有穩(wěn)定π共軛平面結(jié)構(gòu)形成碳管結(jié)構(gòu)納米管的可行性。其結(jié)構(gòu)彎折時(shí)對應(yīng)的能量可