碳和氮化硼纳米管的物理力学性能和器件原理

摘要

碳纳米管和氮化硼纳米管具有独特的几何结构和优异的物理、力学和化学等性质，是构筑纳米器件的重要材料。本文利用从头算量子分子动力学、分子动力学、密度泛函理论以及量子力学和经典力学的混合模型，结合经典力学分析的方法对碳纳米管的轴向高频振动、氮化硼纳米管的电致变形和电磁中性分子的电驱动原理进行了大规模并行计算模拟和理论分析，尝试探索碳和氮化硼纳米管中存在的物理力学耦合行为，以及这种耦合行为在纳尺度器件开发中潜在的应用价值。本文通过对以上问题的研究，取得了如下进展：
　　 1）碳纳米管轴向高频振动的研究：人们对碳纳米管的高频振动行为进行了大量的研究，但缺乏量子分子动力学的检验，并且对振动受机电耦合效应的影响也了解甚少。本文以碳纳米管的轴向振动为例，利用从头算量子分子动力学对其振动过程进行了模拟。结果表明，碳纳米管的轴向振动受轴向电场的影响较小，而受电荷注入的影响较大。经典分子动力学方法能较好地描述该振动的主要特征，然而对振动的本征频率的预测与量子分子动力学的结果相比仍有差别。此外，对振动受机电耦合效应的影响，特别是有电荷注入的情况，经典分子动力学不能给出合理的描述。选择合适的参数，弹簧-质量块模型和空心杆模型对轴向振动的基频也可以给出较为准确的预测，然而对于高阶模态，上面两种模型的误差都比较大。此外，利用碳纳米管的轴向高频振动行为，我们提出了一种太赫兹辐射源的工作原理并申请了国家发明专利。
　　 2）氮化硼纳米管电致变形的密度泛函研究：寻找具有大应变能密度的智能材料一直是人们努力的方向。我们利用第一原理密度泛函方法对氮化硼纳米管的电致变形行为进行了研究。
　　 结果表明，在轴向外加电场的作用下，并且在实验中可以达到的电场强度下，锯齿型氮化硼纳米管的轴向电致变形可达4％，相应的体积功密度比目前已报道的聚合物智能材料的最高值要高100倍以上，比传统压电陶瓷材料要高出3个数量级。氮化硼纳米管的电致变形源于逆压电效应和电致伸缩效应，并且后者引起的变形量可达前者的两倍。考虑到氮化硼纳米管良好的热力学和化学稳定性以及绝缘性，它有望成为一种极富潜力的纳米智能材料。
　　 3）电磁中性分子电驱动原理的探索研究：对纳米和分子机器的驱动，特别是对电磁中性分子体系的驱动，是一个极具挑战性的科学和技术难题。它们不含净电荷或磁距、磁畴或电畴，因此不能用均匀的电场或磁场来进行驱动和操作。
　　 本文利用半经验量子分子动力学模拟证明：通过控制一端封闭一端开口的单壁碳纳米管上的电荷分布，可以改变它与内部中性分子之间的相互作用，进而实现对中性分子的驱动和操作。当碳纳米管带上均匀分布的正电荷时，可以将其内的中性分子打出；而当它带上均匀分布的负电荷时，则不能将内部的中性分子打出，然而却能将位于其开口端附近的中性分子吸入。这些发现有望为纳米器件和系统的驱动和控制提供一种新的机制。