荷电碳纳米管结构和力学性质的分析

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1、钆“·t羽—D第一章绪论1．1概述第一章绪论1991年，日本科学家Iijimatl】在用电弧放电法产生的碳纤维中，发现了一种新型的碳结构—碳纳米管。碳纳米管具有高度对称的几何结构，是由六边形网络状sp2杂化碳原子卷曲而成无缝空心纳米圆柱体，直径约lnm(最小可达0．4nm)，长度可达厘米级，具有很高的弹性模量和抗拉强度，极高的导热率，是理想的一维量子线和直接带隙光学材料。这些优点使碳纳米管在复合材料，燃料电池和锂电池，化学与生物分离，传感与检测，场发射器件以及纳米电子元器件乜刮等诸多领域有广泛的应用前景。理解带电的碳纳米管的电学特性，是研究碳纳米管的场发射器，化

2、学传感器和电荷存储器等应用的前提之一。在研究碳纳米管的一维线性静电学性质时，人们发现电荷会在碳纳米管端口聚集，影响碳纳米管的稳定性，因此对荷电碳纳米管的研究大部分集中在稳定性和碳纳米管电子器件的寿命等方面。在实验方面，王昭【m】等人发现，随着碳管长度的增加，端口效应减弱，当碳管管长超过lOOnm时，可以认为端口的电荷密度分布和中间部分的电荷密度分布近似一样，但碳管的稳定性降低。而理论研刭11】可以追溯到上世纪八十年代，主要是研究小型碳纳米管的稳定性。Gartstein[12】运用简化的电子晶格模型研究了单壁碳纳米管的电荷应变情况，预言了碳纳米管的各向异性形变和电

3、荷对碳纳米管结构的影响。Lee[”】用第一性原理研究了双壁碳纳米管，发现其在强电场中会崩溃，当电场加到20V／nm时，碳管端口破裂。Verissimo—A1ves【14】等人利用第一性原理和紧束缚计算的方法，研究了带电单壁碳纳米管的力学效应，发现注入少量的正电荷后半导体型碳纳米管会伸长，而金属型碳纳米管会缩小。Sun[15】等人用密度泛函理论(DF，I’)预言了孤立单壁碳纳米管的电荷注入效应。发现在单壁碳纳米管的直径足够大的情况下，这些单壁碳纳米管的电荷应变图像是类似的，一般来说，负电荷的注入会使碳管膨胀，而正电荷的注入会使碳纳米管收缩。LuoD6]和Kebli

4、nski[17】利用第一性原理计算了单壁碳纳米管带电后的稳定性，随着额外电荷的增加，碳纳米管的末端结构会变得不稳定。Keblinski认为经典理论或量子理论的计算，所获得的每个碳原子上的平均电荷与碳原子位置的关系图像是类似的。，在长度相似的情况下，戴帽碳纳米管的碳原子能容纳的电荷量小于开口碳纳米管能容纳的电荷量。Luo等人计算了带电碳纳米管的电荷分布，通过带电碳纳米管所带电量和能量，推导出碳管体系的一些经典参数如电容和功函数。他们发现，额外电荷主要集中在碳纳米管的端口和管壁的外侧。除此之外，额外电子4札q喇}—p第一章绪论数和碳纳米管的能量是非线性关系。当加上少

5、量负电荷后，带电碳纳米管比不带电的碳纳米管更加稳定，并且显示一定的电负性，碳纳米管的结构会发生变化，但对于荷电碳纳米管的结构变化没有给出细致的研究结果。此外，碳纳米管具有优越的力学性质。研究表明，碳纳米管的强度和韧性极高，弹性模量超过1Tpan引，成为已知的最高材料模量，约为钢的5倍，而密度只有钢的几分之一。在实验上研究碳纳米管的弹性模量难度很大，比如，分离碳纳米管较困难n引；做弹性模量实验时，开口的碳纳米管在一定时间内会在其内部形成氧化物乜01；碳纳米管在振动时会发生破缺业¨等，所以许多学者借助理论模拟的办法来研究碳纳米管的力学特性。例如，Lu等口幻用经验模型

6、分子动力学推导了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的弹性性质，在模拟拉伸实验基础上给出了杨氏模量约为1Tpa。Yao等乜31用类似的方法但采用不同的势模型也得到弹性模量近似为1Tpa。Cornwell等乜43采用Tersoff—Brenner势函数，用分子动力学模拟方法得到单壁碳纳米管的弹性模量为0．76Tpa。Song等瞳朝采用Tersoff势函数，用分子动力学模拟方法得到扶手型单壁碳纳米管的弹性模量为1．1±0．1TPa。Daniel他们利用第一性原理预言了单壁碳管，多壁碳管和石墨片的弹性模量范围是。0．4—1．2Tpa。Shih—ChungFan陋73通过模拟，计

7、算出手性的碳纳米管的螺旋角和弹性模量的关系，弹性模量随螺旋角的变大而逐渐增加。人们研究还发现碳纳米管的剪切模量约为0．3TPa，并不十分依赖于直径(对直径大于0．8nm的碳纳米管)，这与利用经验力常数模型求得的0．45TPa相差不大。而对于较小直径的碳纳米管，比如(5，5)型碳纳米管，剪切模量与连续介质弹性理论推导出的结果不符。可见，通过不同方法模拟得到的碳纳米管弹性模量的值有一定的区别，而且对荷电的碳纳米管弹性模量的研究还未涉及。1．2本论文的主要内容本论文主要研究荷电碳纳米管的结构变化和相关的力学性质。本文采用第一性原理方法研究碳管电致形变的过程，揭示并解释

8、其形变的原因。通过计算，