碳纳米管及其异构体的制备和小能隙单壁碳纳米管的能带结构研究

摘要

碳纳米管是一种新型的碳材料。自从碳纳米管被成功置备以来，碳纳米管的研究已成为当前材料科学领域的前沿课题之一。论文将阐述碳纳米管在现有实验条件下的制备情况，主要介绍在导师实验室中，如何用直流石墨电极放电的电弧法制备出纯度较高的单壁纳米碳管、管绳、管束以及含有异质结的碳纳米管，并介绍了对实验装置和方法所做的革新。 碳纳米管的电学性能随石墨平面卷曲的手性矢量的不同而显著变化，从而提供了丰富的金属型和能隙不等的、热稳定性很高的各种半导体型一维材料；其导电性能随异质结的改变而不同的特性，将可能为半导体制造领域提供独特的分子型半导体器件；此外金属性单壁纳米碳管(SWNT)中电子波函数长距离的相干性，提供了连接纳米级电子器件的优质量子导线，使纳米电子器件的大规模集成成为可能；碳纳米管量子点的库仑阻塞及隧穿效应使得碳纳米管可以成为场效应管、单电子隧穿管及电子开关等元器件的理想材料，种种广泛的应用前景使得碳纳米管以能带结构为主的电学特性基础研究显得极为重要。论文将在第三章讨论碳纳米管电学性质的理论计算和实验研究的一般方法和最新进展本论文在第四章，从费米点漂移的构想角度，将对石墨烯卷曲成单壁碳纳米管(SWNT)时产生的有限弯壁效应和对称性缺失效应，而引起SWNT的固有电学性质的改变，展开能带结构的理论计算和分析。 第五章将运用第一性原理的计算方法结合非平衡格林函数(NEGF)和密度泛函理论(DFT)计算带有五元环一七元环拓扑缺陷对的单壁纳米碳管(SWNT)的输运性质。并且运用Tran-C程序包计算了(7，0)-(8，0)和(8，0)-(9，0)两种不同类型的含异质结的单壁碳纳米管的能带结构，并比较了其与理想(7，0)、(8，0)、(9，0)单壁碳纳米管的不同。

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第一章绪论

1.1碳纳米管的发现及其电子学应用前景

1.1.1金属性碳纳米管

1.1.2小能隙半导体纳米碳管

1.1.3半导体性纳米碳管

1.2单壁纳米碳管电子能带结构的理论研究方法

1.3本文构想

第二章碳纳米管及其异构体的制备及纯化

2.1简述

2.1.1电弧法

2.1.2激光蒸发法

2.1.3催化气相沉积法

2.2碳纳米管的纯化

第三章单壁纳米碳管电学性质分析

3.1纳米碳管的电子能带结构

3.2纳米碳管的同质异构结

3.3单壁纳米碳管电子态密度的实验测定

3.4纳米碳管中的电子输运

第四章小能隙单壁纳米碳管金属性的研究

4.1引言

4.2单壁纳米碳管的弯壁效应

4.3对称破缺效应对扶手椅型纳米碳管的影响

第五章含五元环-七元环单壁纳米碳管的电子能带结构计算

5.1引言

5.2理论模型与计算

5.3结果与讨论

结论

参考文献

致谢

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