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单壁碳纳米管的电子结构理论计算与分析

作　者: 冷利
导　师: 郭连权
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 螺旋型单壁碳纳米管 密度泛函理论 电子结构 有效质量 电子速度
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


纳米材料是20世纪80年代出现的新型材料,而碳纳米管是随之发现的一维纳米材料,由于它具有奇异的物理性能,因此它有着广泛的应用及前景。由于固体的许多基本物理性质原则上都可由能带理论阐明和解释,而π电子的有效质量及其速度在研究碳纳米管的动力学应用时有着重要的作用,因此本文选题为“单壁碳纳米管的电子结构理论计算与分析”有着重要的理论价值和实际的指导意义。密度泛函理论(DFT)是探索和研究具有重要应用前景功能材料的最重要的理论方法。该方法是研究材料电子状态,获取材料特征参数的最精确的能带计算方法。本文用密度泛函理论在Linux操作系统下采用ABINIT软件,计算了小直径螺旋型单壁碳纳米管(4,1)、(4,2)和(5,2)的能带及态密度,计算中考虑了它们的卷曲效应。对计算结果分析得知(4,1)和(5,2)型单壁碳纳米管无能量禁带,它们属于金属型,对于(4,1)管,能量在-5.42eV处能级密度最大,对于(5,2)管,能量在-6.80eV处能级密度较大；而(4,2)型单壁碳纳米管有能量禁带,且禁带宽度为0.24eV,它属于半导体型,此外,对于(4,2)管,能量在-2.5eV处能级密度较大。本文所得到的导电性能结论与采用金属型单壁碳纳米管的判据|m-n|=3J(J=0,1,2,3,…)给出的结论相一致。文中从单壁碳纳米管π电子的能带出发,计算了π电子在简约布里渊区内具有高度对称性点r点、M点和A点的有效质量和速度,在r、M和A点有效质量分别为m*(?)xx=(?)、m*Mxx=(?)、m*Axx=(?),在以上三点π电子的速度均为零。以上研究成果,为进一步研究单壁碳纳米管的电子结构和有关力学性能提供了有益的理论参考。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 纳米材料与纳米科技  10-11
  1.2 碳纳米管及其结构  11-13
    1.2.1 碳纳米管的发现  11
    1.2.2 单壁碳纳米管的结构  11-13
  1.3 碳纳米管的性质及应用  13-17
    1.3.1 电学性质及应用  13
    1.3.2 力学性质及应用  13-14
    1.3.3 热学性质及应用  14
    1.3.4 场发射性质及应用  14-15
    1.3.5 光学性质及应用  15-16
    1.3.6 储氢性质及应用  16-17
    1.3.7 低温库仑阻塞效应及应用  17
  1.4 本课题目的与意义  17-19
    1.4.1 本课题目的  17
    1.4.2 选题意义  17-19
第二章 密度泛函理论及ABINIT软件  19-28
  2.1 多粒子体系的Schrodinger方程  19-20
  2.2 玻恩-奥本海默近似  20
  2.3 哈特利-福克近似  20-22
  2.4 密度泛函理论  22-24
    2.4.1 霍亨伯格-孔恩定理  22-23
    2.4.2 孔恩-沈吕九方程  23-24
  2.5 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)  24-25
    2.5.1 局域密度近似(LDA)  24-25
    2.5.2 广义梯度近似(GGA)  25
  2.6 自洽场计算方法  25-26
  2.7 常用赝势  26
  2.8 ABINIT软件  26-28
第三章 小直径螺旋型单壁碳纳米管的电子结构计算与分析  28-38
  3.1 有关参数测试  28-32
    3.1.1 ecut(截断能)参数测试  28-30
    3.1.2 kpoints(k点取样)参数测试  30-32
  3.2 螺旋型单壁碳纳米管电子结构计算  32-36
    3.2.1 能带计算  32-34
    3.2.2 态密度计算  34-36
  3.3 电子结构的讨论及计算结果分析  36-38
第四章 π电子的有效质量和速度计算  38-46
  4.1 单壁碳纳米管的简约布里渊区  38-41
    4.1.1 正格子基底矢量  38-39
    4.1.2 倒格子基底矢量  39-41
  4.2 单壁碳纳米管π电子的能带表达式  41
  4.3 π电子的有效质量和速度  41-46
    4.3.1 有效质量  41-44
    4.3.2 电子的速度  44-46
第五章 结论  46-47
参考文献  47-50
在学研究成果  50-51
致谢  51

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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