彎曲碳納米管和氧化石墨烯的原子尺度模擬.pdf

1、近二十年來，碳納米材料一直是材料、化學、物理等領域的研究熱點，富勒烯和石墨烯的研究都獲得了諾貝爾獎，而碳納米管也已經廣泛應用于眾多高新技術產業(yè)，例如汽車、航天、電子等等。碳納米材料中可以存在多種的碳雜化方式，從而展現出豐富的物理化學性質以及廣闊的應用前景，大大推動了納米科學與納米技術領域的研究。本論文針對兩類典型的碳納米材料—彎曲碳納米管和氧化石墨烯，從原子尺度模擬的角度系統(tǒng)研究了它們的結構、熱力學穩(wěn)定性、力學、電子結構等基本性質。

2、r>　　在碳納米管中引入五元環(huán)和七元環(huán)可以引起曲率的變化，從而形成彎曲碳納米管結構，例如碳納米環(huán)、碳納米線圈、之字形碳納米管等。(n，n)(n=5-7)碳納米環(huán)具有優(yōu)于C60富勒烯的熱力學穩(wěn)定性，其結合能隨著管徑和直徑的增大而增加。對于不同對稱性的碳納米環(huán)，D6h對稱性的構型有著最優(yōu)的熱力學穩(wěn)定性。同時，五元環(huán)和七元環(huán)的引入會造成電子的局域化，使得碳納米環(huán)呈現半導體性，具有0.08～0.95eV的HOMO-LUMO帶隙。此外，碳納米環(huán)的

3、硼氮替位摻雜研究結果表明，硼原子易于摻雜在七元環(huán)缺陷位，氮原子易于摻雜在五元環(huán)缺陷位。相比較于碳納米管，五元環(huán)和七元環(huán)的引入有利于提高碳納米管的化學活性，顯著降低硼氮原子的替位摻雜能，而且硼氮原子的替位摻雜還可以實現碳納米環(huán)由半導體性到金屬性的轉變。
　　對(n，n)(n=5-7)碳納米線圈力學性質的研究表明，碳納米線圈的楊氏模量僅有幾個GPa，遠小于碳納米管的楊氏模量。進一步的研究表明碳納米線圈具有超彈性，在拉伸和壓縮應變下可以

4、通過調整鍵角分布保持鍵長基本不變，實現高達55％的彈性應變。碳納米線圈的量子電導計算結果顯示，碳納米線圈呈現出半導體性，具有0.3～0.8eV的帶隙。通過分析電子態(tài)密度，我們發(fā)現僅引入Stone-Wales五元環(huán)和七元環(huán)缺陷會在費米能級附近產生雜質態(tài)，但不能打開帶隙。因此，碳納米線圈帶隙產生的主要原因是它的螺旋結構致使sp2雜化態(tài)的碳轉變?yōu)閟p3雜化態(tài)的碳。
　　第一性原理計算表明(n，n)(n=5-8)之字形碳納米管的楊氏模量約

5、為560～650GPa，理想強度約為68～81GPa，兩者均隨著管徑的增加而增大。與碳納米管的楊氏模量(～1000GPa)和理想強度(～100GPa)相比，五元環(huán)和七元環(huán)的引入會降低碳納米管的楊氏模量和理想強度。如果把石墨烯的楊氏模量和理想強度作為無限大之字形碳納米管的極限情況，我們可以用簡單的公式擬合出之字形碳納米管楊氏模量和理想強度隨管徑的變化關系，進而預測不同管徑大小之字形碳納米管的楊氏模量和理想強度。此外，我們發(fā)現在外加應力的作

6、用下，之字形碳納米管首先發(fā)生斷裂的是沿著應變方向的6-7鍵。而且，外加拉伸應變會造成之字形碳納米管導帶底和價帶頂電荷的局域-離域變化，從而實現之字形碳納米管由半導體到金屬或金屬到半導體的轉變。
　　由于氧化石墨烯復雜的化學計量比以及含氧官能團可能的多種排列方式，迄今人們對其原子結構的認識仍存在爭議。實驗表征揭示氧化石墨烯呈現整體無序性，而理論計算表明羥基和環(huán)氧基有序鏈狀排列并彼此靠近的結構具有最優(yōu)的熱力學穩(wěn)定性。因此，我們研究了氧

7、化石墨烯的無序結構模型，試圖尋找它與有序結構之間的關聯(lián)。通過對比氧化石墨烯有序和無序結構模型，我們發(fā)現能量較低的氧化石墨烯無序結構中總是包含一些局域有序單元，在這些有序單元內，羥基(-OH)和（或）環(huán)氧基(-O-)按一定規(guī)則有序排列，可以形成完全由羥基或環(huán)氧基構成的結構單元，與實驗測量結果相符合?；谘趸┑暮侠斫Y構模型，我們還考察了含氧覆蓋度和OH∶O比例對氧化石墨烯熱力學穩(wěn)定性、電子結構和力學性質的影響。隨著含氧覆蓋度和OH∶O