碳纳米管吸附CO分子和1，8-辛二硫醇-金电极分子结点断裂机理的理论研究

摘要

纳米技术被认为是人类自电力发明以来最伟大的技术，几乎涉及现代科技各个领域，如纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等学科。伴随着微电子学实验技术不断发展，利用单分子构建电子器件已成为纳米领域的一个热门课题，其中金属一分子一金属结构的分子结点是最基本，研究最广泛的分子器件单元，具有奇特的力学和电子输运性质，得到实验和理论上的广泛关注。另一方面，自从1991年碳纳米管被日本NEC公司Iijima博士发现以来，就以其特有的物理、化学性质及其新颖的结构和在未来高科技领域的许多潜在应用价值，迅速在世界范围内掀起了碳纳米管的研究热潮。然而实验证明，完美碳纳米管的应用是有限的，实际的碳纳米管总是不可避免地存在着各种拓扑缺陷。这些缺陷会改变碳纳米管的性质，影响碳纳米管的应用。
　　 本文中，采用基于能量密度泛函理论(Density functional theory,DFT)的从头计算和基于该原理的SIESTA软件，一方面利用1，8-辛二硫醇-金电极耦合模型进行分子结点断裂机理的理论性研究：另一方面研究含有单原子空位缺陷的碳纳米管吸附CO气体分子后的电子结构变化，取得了一些有价值的结果。
　　 本论文共分为四个部分：
　　 第一章首先介绍了分子结点的背景知识，包括分子结点的类型，实验方法，以及研究现状和存在的问题。然后介绍了碳纳米管的基本知识，包括碳元素及其同素异形体的基本情况、碳纳米管的发展、几何结构、分类、性质，并简单介绍了含有缺陷的碳纳米管的研究现状和存在的问题。最后简要介绍了本论文的研究内容。
　　 第二章介绍了本研究所运用的理论方法。首先介绍了模拟计算所使用的量子力学第一性原理，包括Born-Oppenheimer近似，单电子近似。其次重点介绍了关于密度泛函理论的基本知识，如Hohenberg-Kohn定理、局域密度近似、广义梯度近似等。随后介绍了数值计算的方法，包括离散法和线性标度计算法。最后简要介绍了自洽场计算和SIESTA软件。
　　 第三章对1，8-辛二硫醇-金电极耦合模型进行了分子结点断裂的理论性研究。我们模拟了五种类型的l，8-辛二硫醇-金电极单分子结点被压缩和拉伸的过程，计算了分子结点总能和分子结断裂的平均力的变化，并通过对电子结构的动态分析，讨论了结点的几何结构变化的原因。研究发现辛二硫醇末端巯基上的氢原子在分子结点结构变化中扮演着关键的角色，每种分子结点模型都具有特定的断裂几何构型和断裂力。通过本课题的研究和实验研究的比较，推断出氢-金键有可能是巯基-金电极构成的分子结点断裂最主要的机制。
　　 在论文的第四章，我们系统地研究了小气体分子(CO分子)在碳纳米管表面的吸附，对沿含单原子空位缺陷碳纳米管的不同方向移动CO分子的运动过程进行了理论研究。我们以(5，5)型和(7，O)型两种碳纳米管为例，主要讨论了CO分子在碳纳米管的单原子空位缺陷以及无缺陷区域的吸附，模拟沿缺陷碳纳米管不同方向移动CO的运动过程，对每种碳纳米管我们考虑了三种运动过程，分析了吸附能、态密度以及投影态密度的变化规律。研究发现吸附CO分子对(5，5)管和(7，O)管的影响大致相同。CO分子吸附于缺陷上方时，CO与碳纳米管之间产生相互作用，吸附为化学吸附；当CO分子距离缺陷位置较远时，产生的吸附为物理吸附。使CO分子沿碳纳米管管壁移动时，无论是沿圆周方向还是轴向，运动到空位时的系统能量最低，系统最稳定。CO分子中氧原子会影响碳纳米管的电子结构，这种变化主要是由于氧原子p轨道的电子与碳纳米管相互作用引起的。
　　 第五章是对所做工作的总结。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 分子结点的背景知识、研究现状及存在问题

1.1.1 主要实验技术

1.1.2 研究现状与存在问题

1.2 碳纳米管的背景知识、研究现状及存在问题

1.2.1 碳纳米管的结构和性质

1.2.2 研究现状与存在问题

1.3 本论文研究内容

1.3.1 分子结点方面的工作

1.3.2 碳纳米管方面的工作

参考文献

第二章 理论方法

2.1 第一性原理

2.1.1 Born-Oppenheimer近似

2.1.2 单电子近似

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 交换关联能泛函

2.3 数值计算方法

2.3.1 离散方法

2.3.2 线性标度计算方法

2.4 自洽场(SCF)计算

2.5 SIESTA软件包简介

参考文献

第三章 1，8-辛二硫醇-金电极单分子结点断裂的机制研究

3.1 引言

3.2 计算方法和模拟方案

3.3 结果与讨论

3.3.1 分子结点的几何参数和束缚能

3.3.2 分子结点结构的演变

3.3.3 能量变化和断裂平均力

3.3.4 电子结构动态分析

3.4 结论

参考文献

第四章 吸附气体对含原子空位缺陷碳纳米管电子结构的影响

4.1 碳纳米管的原子空位缺陷

4.2 计算模型与方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 C0分子与碳纳米管的相互作用

4.3.2 碳纳米管吸附CO分子时电子结构的动态分析

参考文献

第五章 总结

5.1 1，8-辛二硫醇-金电极单分子结点断裂的机制研究

5.2 吸附气体对含单原子空位缺陷碳纳米管电子结构的影响

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参加会议

学位论文评阅及答辩情况表