單壁碳納米管軌道雜化和電子性質(zhì)的研究.pdf

1、碳納米管自1991年問(wèn)世以來(lái)，就以其獨(dú)特的納米尺度管狀幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，驚人的剛度、強(qiáng)度和彈力等性質(zhì)吸引著物理學(xué)家、化學(xué)家、材料家的廣泛關(guān)注，成為近十年來(lái)凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。 由于卷曲效應(yīng)，單壁碳納米管中π軌道并不與表面垂直(π軌道重新參與雜化)，而有一定的傾角δ，實(shí)驗(yàn)上已通過(guò)掃描隧道顯微鏡(STM)觀察到δ的存在。本文中，首先根據(jù)單壁碳納米管的幾何結(jié)構(gòu)，解析計(jì)算了三種不同類(lèi)型(鋸齒型、扶手型、手性

2、)SWCNTs的π軌道傾角，結(jié)果表明三種傾角是不完全相同的，由此得到的結(jié)論與參考文獻(xiàn)[64]中用同一近似公式表達(dá)的三種類(lèi)型SWCNTs的π軌道傾角相比較，所得結(jié)論更能體現(xiàn)不同類(lèi)型管子傾角的差異。 基于得到的π軌道傾角，根據(jù)雜化軌道理論計(jì)算了SWCNTs的重雜化軌道，給出SWCNTs重雜化軌道成分的解析式。結(jié)果表明：對(duì)于管徑較小的納米管，鋸齒型(n＜40)，扶手型(n＜20)，手性型(n＜30，m＜n)，s軌道成分較大，不宜視為s

3、p2雜化，由此可知卷曲效應(yīng)對(duì)SWCNTs雜化軌道造成不可忽略的影響。 由于在SWCNTs中，格點(diǎn)原子波函數(shù)并非正交歸一的基函數(shù)，在上述得到的重雜化軌道基礎(chǔ)上，本文用格點(diǎn)原子波函數(shù)建立正交歸一的Wannier基函數(shù)(稱為擴(kuò)展的Wannier基函數(shù))，在此基下，按照SWCNTs的幾何結(jié)構(gòu)，以鋸齒型管和扶手型管為例討論SWCNTs的近鄰電子跳躍能、能帶、能隙等電子性質(zhì)方面的問(wèn)題。結(jié)果表明：散射系數(shù)k能增大SWCNTs的近鄰電子跳躍能和

4、能隙值。由此說(shuō)明π電子受到σ軌道的散射，π電子有可能占據(jù)σ軌道，σ軌道能增大π電子的局域性。σ軌道成分的存在使得鋸齒型(9，0)管的半金屬性更強(qiáng)，扶手型金屬管能隙略微增大。此外，π雜化軌道傾角δ能影響SWCNTs的近鄰電子跳躍能及相應(yīng)能隙值，對(duì)于小管徑的納米管時(shí)卷曲等效應(yīng)對(duì)管子的電子性質(zhì)有著重要影響。除此之外，本文還舉例研究了鋸齒型(9，0)管的能帶、能隙值。采用兩種方法進(jìn)行比較：本文的方法和參考文獻(xiàn)[45]中的方法。結(jié)果表明：兩種方法