密度泛函理论研究单壁硼氮和铝氮纳米管功能化

摘要

纳米管材料，例如碳纳米管、硼氮纳米管、铝氮纳米管等，以其独特管状结构和优异的电学、力学和光学等性质，使其在储氢、平面显示、场发射器件、气体传感器、药物输运等领域有着非常广阔的应用。单壁硼氮纳米管和铝氮纳米管是一类非常重要的无机宽带隙半导体纳米管，与碳纳米管一样拥有很高的机械强度，化学和热力学稳定性比碳纳米管更高。本文基于密度泛函理论和能带理论，研究化学修饰对纳米管的几何结构、能量、电学性质等方面的影响，为设计新型纳米管功能材料提供理论依据。主要工作包括以下两个方面：
　　1、采用密度泛函理论研究BNNTs封装茂金属分子（TMCp2,TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）的尺寸和手性效应。研究表明茂金属封装过程实际上是一个非共价相互作用的过程；封装形成能与纳米管的手性和管径密切相关，当纳米管半径大于平衡距离（Config.-P构型为4.50?，Config.-V构型为5.04?）时，偏离管中心的封装方式能量更有利。封装后，由于纳米管与茂金属分子之间的电荷转移，对体系的导电性产生了影响。此外，由于茂金属分子引入了磁性，使封装体系能够应用于自旋电子设备。
　　2、采用密度泛函理论研究开口单壁AlNNT与气体小分子（H2、N2、三重态O2、单重态O2以及H2O）的相互作用。结果表明，σ-型物种如H2和H2O能在开口AlNNT上形成稳定化学吸附，而π-型物种如N2和O2则更倾向于形成环加成结构，比如，单重态O2在(6,6)AlNNT的Al-N键上吸附时，形成了[2+2]环加成结构。总体而言，气体小分子对N-rich-ended(10,0)AlNNT比Al-rich-ended(10,0)和(6,6)AlNNT表现出更高的反应活性。此外，吸附质诱导产生电荷转移，并显著地修饰了纳米管的电子结构。吸附基本上都导致带隙减小，伴随带隙的变化，H2、N2和H2O在N-rich-ended(10,0)AlNNT上的吸附使费米能级向导带有很大程度地移动，显著地降低了体系的功函并改变了其场发射性质。该研究结果将有助于设计基于AlNNTs的纳米设备，比如化学传感器、场发射器件等。

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第一章 前言

1.1 碳纳米管的研究概况

1.2 硼氮纳米管的研究概况

1.3 铝氮纳米管的研究进展

1.4 本论文研究内容与意义

参考文献

第二章 理论基础与计算方法

2.1 多粒子体系的Schr?dinger方程

2.2 主要近似方法

2.3 Hartree-Fock-Roothann方程

2.4 密度泛函理论（DFT）简介

2.5 能带理论

参考文献

第三章 DFT研究BNNTs封装茂金属分子的尺寸和手性效应

3.1 引言

3.2 理论与计算模型

3.3 结果与讨论

3.4 总结

参考文献

第四章 DFT研究开口AlNNTs与气体小分子的相互作用

4.1 引言

4.2 理论与计算模型

4.3 结果与讨论

4.4 总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢