单壁碳纳米管π电子次级能隙的研究

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1、重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要单壁碳纳米管可以为绝缘体、半导体或者金属，这是因为不同手性和半径的管具有不同的能隙。由于柱面的环状几何特征，使得垂直于轴线的环周上动量量子化，进而导致能隙的产生，这个能隙称为碳纳米管的主能隙。K锄e和Mele进一步研究发现，在考虑曲率效应后，可能出现与管半径的平方成反比的次级能隙。实验上也发现，只有扶手型管的能隙严格保持为零，而锯齿型和手性金属碳纳米管都会出现次级能隙，变为小能隙半导体。文献中也把扶手型管称为第1类金属管，把其它的金属管划归第1I类金属管。从几何分析知道，曲率效应使得碳原子间的键长和键角等因素发生变化。本文利用了碳纳米管的柱面晶格模型

2、，进而研究了单壁碳纳米管的次级能隙与半径和手性的关系。本文的主要工作包括：1、利用柱面晶格模型与平面晶格的对应关系，利用键长相等的条件，构造了对应的倒格子，其仍为柱面上的三角格子。另外，我们给出了柱面晶格的布里渊区，并讨论了第一布里渊区角点相对于平面石墨单层第一布里渊区角点移动的情况。对非手性碳纳米管，扶手型管的第一布里渊区角点在圆周方向上不移动而在轴向发生移动，同时锯齿型管在圆周方向上发生移动而在轴向上不发生移动；对手性碳纳米管，两者均发生移动。2、基于柱面晶格模型，考察了最近邻跳跃近似下的万电子紧束缚模型，模型H锄iltoIli趾可以对角化，这里主要研究了次级能隙出现的原因，并

3、分析了次级能隙与碳纳米管手征和半径之间的关系。具体内容包括：1)考虑了曲率效应对跃迁幅的修正，在柱面上用Fo嘶er变换严格对角化模型H锄iltoIli趾得到了单壁碳纳米管的能带。能带包括价带和导带，由轴向波矢和圆周方向的角量子数两个量子数描述。2)为分析次级能隙出现的原因，我们讨论了当三个跃迁幅不相等时，在动量空间的连续情况下零能隙存在的条件即三个跃迁幅形成三角形，给出了价带和导带简并点的位置，并得出次级能隙出现的原因是曲率效应导致带边移动的结果。3)分析了扶手型和锯齿型单壁碳纳米管的能带和能隙，得出扶手型碳纳米管的能隙严格为零，金属锯齿型碳纳米管的次级能隙随半径的变化规律同K觚e

4、与Mele和Ding等人讨论的理论结果一致，实验上Ouyang等人给出(9，0)、(12，O)和(15，O)的次级能隙分别为O．080士0．005，0．042士0．004和0．029士O．004eV，我们的计算结果分别为0．0792，0．0446和0．0285eV，与实验结果符合的很好。4)研究了手性第1I类金属管次级能隙与半径和手征的关系。结果不能解析求解，重庆大学硕士学位论文中文摘要通过数值结果可以看出，在当，=1，2，3，4(，为整数其满足所一刀=射)，一组对应的R确．4804，6．8924，7．3439，7．8281A，其相应的能隙分别为O．0068，O．0110，0．01

5、31，0．0137eV，因此半径增大，能隙不一定减小，还与，值有关。我们用数值拟合得到了次级能隙与碳纳米管半径和，关系的近似表达式，可以在一定程度上描述手性第1I类金属管次级能隙的规律。关键词：单壁碳纳米管，次级能隙，柱面晶格，能带Ⅱ重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTTllesin西e—wallcarbonn锄砷如es(SWCNl's)诵mVariousb姐dsgapSmaybe缸inslllator，a∞micondllctor，orametal．Theorbiculargeometricalcharact嘶sticsoftllecylilldermal∞quantiz

6、ationofa119ularmomentumpc印endiculart0c№umferences，锄dleadabandgap，砌chiscalled研．瞰arygap．W池位缸曲erStudyofKaneandMele，iftllecurv孤鹏e虢ctisconsi妇d，SWCNTsmayhave∞conda巧gap，wllichisinVerselyproportionalt0thesq瑚reofthetubes’硼iuS．IIlexpcments，itisobsenred廿1ator岖锄c嘶rtI】beis协lemetal，whilenlezigzagmetallicmmo

7、tul)esllad也e∞condaryg印锄d、№reinfIaCtsmall—g印semicollductors．IIlref-erences，也e跗ncllairtu．besareusudlycl弱sifiedtothefirstcl鹊smetallictu_be，WIlileⅡleothermetallicmbes缸ecl勰sifiedtomesecondcl勰smetallicmbe．Fromme觚alysisofgeometry，Ⅱlecurva：ture