硼氮对掺杂的超小半径碳纳米管结构稳定性及电学性能的第一性原理研究

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碳纳米管作为一种新兴材料,其独特的几何结构和优异的物理性能使其十分具有发展潜力。随着科技的不断进步和科研工作者持续的研究探索,碳纳米管的制备技术更加成熟,获得了更为纯净,更细更小的碳纳米管。碳纳米管在纳米电子学方面发展迅速,有着广泛的应用前景。为了获得电学性能更好的材料,我们通常需要对碳纳米管进行一些修饰调控,其中十分重要而有效的一种方法就是进行掺杂处理。经过掺杂的碳纳米管的物理和化学性质都会发生一定的变化,这无疑在一定程度上拓展了碳纳米管的研究及应用范围。单壁碳纳米管由于结构更为简单,制备起来更为方便,所以研究人员一般是以单壁碳纳米管作为研究对象。小半径的碳纳米管由于其具有强烈的卷曲效应,拥有一些普通碳纳米管没有的特性,并且未来电子器件必然是朝小型化发展,因此,掺杂小半径碳纳米管的研究是很有必要的。  本文利用基于密度泛函理论的第一性原理对BN掺杂的直径为4(A)的锯齿型(5,0)和扶手椅型(3,3)单壁碳纳米管进行了理论研究计算。第一部分中,我们通过计算形成能选取最为稳定的结构来模拟BN掺杂过程的进行。我们将掺杂分为两种模式:线性掺杂模式和六角晶格掺杂模式。首先,我们发现所有掺杂过的管都变成了半导体。其次,在线性掺杂模式中,我们发现掺杂浓度的增加对(5,0)管和(3,3)管带隙的影响不同,并且(5,0)管中的BN对沿着轴向掺更稳定,而(3,3)管中的BN对则是绕着轴更为稳定。在六角晶格模式中,(5,0)管中BN六元环会绕着轴围成一个圈,而(3,3)管中的BN六元环会形成一个BN岛。最后,我们还分析了B-N键数与结构稳定性的关系。  第二部分中,我们研究了一种特殊的BN掺杂结构,即BC2N。这一部分我们同样以直径为4(A)的锯齿型(5,0)和扶手椅型(3,3)纳米管作为研究对象,我们构造了不同结构的BC2N管。我们用结合能研究了这些超小管径BC2N管的稳定性,结果仍然显示它们都能够稳定存在。我们还研究了它们优化过后的结构,发现有一半结构发生了较大的形变。通过计算发现,这些超小管径的BC2N的性质与普通管径的BC2N管有较大差别。
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