多尺度耦合方法对碳纳米管场致发射机制的模拟

摘要

由于碳纳米管具有非常大的长-径比，按照传统的经典理论它可能具有极大的场增强因子，这潜在的优势促使了人们对碳纳米管场致发射理论和实验的研究。基于量子化学的数值模拟是研究物性的一个优秀的工具，理论上，它能通过解出薛定鄂方程的解，从而得到描述此物质的波函数。对于一个比较大的体系来说，严格求解薛定鄂方程的意义不大，况且须时很长。半经验方法于此是一个中庸之道，它的精度在普通计算物性来说已经足够，而它所需要的时间要比完全的第一性原理要少很多。然而，一根碳纳米管包含几万甚至几十万的原子，即使应用半经验方法也不能对它做整体的描述。多尺度耦合计算方法，是近年来针对大分子物性研究兴起的。 利用多尺度和分而治之的方法，对不同电场中手性为(5，5)，管尖用半个足球烯饱和的单壁碳纳米管场致发射进行了模拟，得到了可与实验比拟的电场-电流曲线，总结出碳纳米管不同于一般宏观材料的发射机理。虽然理论和对无限长的碳纳米管的模拟都证明，(5，5)管是一种金属性纳米管，然而模拟的结果显示，单壁的碳纳米管能屏蔽管身的大部分电场，管尖部分却不能被完全屏蔽。管尖金属性的下降导致了势垒随电场的增大而降低，尽管管尖处的外场仍然得到增强，但模拟得到的场增强因子只有大约经典金属理论预言的1/3，势垒的降低和场的增强共同塑造了碳纳米管优秀的场发射特性。 单壁碳纳米管的直径只有大约1个纳米，尖端的电子结构对场致发射特性必然有极其重要的影响。不同的实验上对尖端吸附氢原子碳纳米管发射特性的优劣得到结论并不一致，这与实验设备和方法有很大关系。不仅如此，理论上的研究也得到截然不同的结果，这与讨论角度和所作近似有关．我们对尖端吸附了氢原子的碳纳米管和尖端用半个足球烯饱和的闭口碳纳米管进行了对比研究．由于尖端吸附的不同原子的极性不同，两者的势垒形状很不相同。电子通过遂穿效应穿过势垒而发射，势垒的高低厚薄直接导致发射性能的不同。在这个比较中，氢饱和的开口碳纳米管由于碳一氢键的极化，氢原子在管尖形成一个负电中心，削弱了势垒，电子比较容易发射；而用半个足球烯饱和的闭口碳纳米管，由于石墨层被高度弯曲，原子间的距离紧密，电子具有相互排斥特性，因此管尖的π键伸出管外，在管外的正前方形成正电中心，提高了势垒。因此氢饱和的开口碳纳米管的发射性能比闭口管优秀．场致发射的经典理论为Fowler-Nordheim(FN)理论，建立在准平衡近似上的。实验发现，不够洁净的碳纳米管在高电流区域的发射电场-电流曲线(Ⅳ曲线)会偏离传统的FN直线．若要考虑非平衡的效应，出射电流在数值上要跟费米面的变化自洽，在模拟中需要格外一个迭代过程来实现。在真正做发射模拟的时候，以边界条件作为索引，在表中寻找对应于此边界条件的量子力学结果，直接代入更新，这就是所谓的列表法。列表法极大的提高了计算的效率，使非平衡效应的计算成为可能。本研究对在高电场下的碳纳米管做了模拟，发现非平衡效应直接导致了FN plot中的knee point(即两个斜率的分界点)，并且，碳纳米管的电阻不同，knee point在I-E曲线中的位置也不一样。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

第2章碳纳米管的场致发射背景

2.1碳纳米管

2.1.1物性

2.1.2制备

2.1.3应用

2.2场致发射

2.2.1历史

2.2.2应用

2.2.3理论

2.3碳纳米管场发射

2.3.1优越性

2.3.2实验

2.3.3理论现状

第3章电子结构的基本理论和计算操作

3.1引言-寻找基态

3.2半经验方法

3.2.1忽略双原子重叠积分

3.2.2忽略三中心和四中心积分

3.2.3单中心双电子积分

第4章物性多尺度关联及相关算法

4.1分而治之(Divide and conquer，DAC)方法

4.1.1线性尺度计算方法的历史与现状

4.1.2线性计算实现的条件

4.1.3 DAC方法的原理和应用

4.2经典力学/量子力学杂化计算方法

第5章分而治之方法对碳纳米管场致发射的数值计算

5.1引论

5.2模型

5.3计算方法

5.4碳纳米管场致发射的物理特性和发射机理

5.4.1中性尖端电势

5.4.2偶极子模型

5.4.3外场下的尖端电势

5.4.4屏蔽效应

5.4.5场增强因子

5.4.6 IE曲线和阈值电场

5.5非平衡效应

第6章结论与展望

参考文献

博士在读期间的工作成果

致谢