杂原子掺杂的含单空位缺陷BN纳米管的非线性光学性质.pdfVIP

Vo1．34 高等 学校 化 学 学报 No．2 2013年 2月 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES 441～446 doi：10．7503／cjc 杂原子掺杂的含单空位缺陷BN 纳米管的非线性光学性质 石芝铭，陈 巍，万素琴，李 辉，黄旭 日 (吉林大学理论化学研究所，理论化学计算国家重点实验室，长春 130021) 摘要 采用密度泛函理论 (DFT)研究了杂原子M(M=Li，Na，K，Be，Mg，Ca，C和Si)在B／N单空位缺陷处 的掺杂对 (6，0)BN纳米管体系非线性光学性质的影响．采用B3LYP方法共得到了14种几何构型，并采用 BHandHLYP方法计算了这些结构的第一超极化率 值．研究结果表明，单纯的B或N缺陷几乎不影响BN 纳米管体系的非线性光学性质；与B缺陷处掺杂的体系相比，杂原子在N缺陷处的掺杂更有利于提高BN纳 米管体系的第一超极化率 值 ；对于同周期掺杂原子 ，还原性越强的原子掺杂对BN纳米管体系的第一超 极化率 ／3。值的改善越明显，表现为 (I族) (1I族)／30(IV族)；对比同主族掺杂原子，第三周期元素Na 和Mg的掺杂能更有效地提高体系的第一超极化率 值，原因主要在于原子半径和还原性等因素共同决定 其对BN纳米管体系第一超极化率 值的改善程度．本文研究结果为有效提高BN纳米管体系的非线性光 学性质提供了一种新思路，为基于BN纳米管的非线性光学材料设计提供了有价值的理论信息． 关键词 密度泛函理论；BN纳米管；非线性光学；空位缺陷；掺杂 中图分类号 O641 文献标志码 A 低维的纳米结构(如 C和BN纳米管等)因具有独特的光学、力学、电学和磁学等性质，已经成为 近年来基础研究领域的热点之一，吸引了国内外研究者的广泛关注 引．目前，对于碳纳米管的非线 性光学性质的研究(特别是对第一超极化率的研究)同样取得了一定的进展 ．如文献 [7]作者利用 Zigzag型(6，0)碳纳米管作为7r共轭桥，将NH 和NO 作为给、受体基团连接在共轭桥两端，或利用 该纳米管同时作为共轭桥和受 (给)体基团，而只将 NH：(NO)连接在共轭桥一端作为给受体基团，所 形成的具有给受体基团的7r共轭纳米结构均表现出较大的非线性光学响应．此外，研究还发现 J，将 碱金属 IJi原子掺杂在可视为超短纳米管的[5]Cyclacene的一端，该锂化方式也可有效地提高材料的第 一 超极化率( 值大约是7938～35384a．t1．)．将Li原子和NH 基团共同连接在Zigzag型(6，0)超短 碳纳米管的两端，即将锂化效应与给受体效应相结合的方式能更有效地提高材料的第一超极化率_9]． 通过N原子取代超短纳米管([5]Cyclacene)一端的C原子也能改善该材料的非线性光学响应_l．最 近，Liu等 对含有各类缺陷(如Stone—Wales缺陷、单空位缺陷和双空位缺陷)的碳纳米管体系的非线 性光学性质进行了研究，结果发现，上述缺陷在提高体系的非线性光学响应方面也有着十分重要的作 用．显然，通过将给受体基团连接在碳纳米管两端形成新型的Donor一7r．Acceptor结构以及杂原子 (例如 Li、N)掺杂和各种缺陷的引入等方式都能有效地提高碳纳米管体系的第一超极化率值． 作为碳纳米管的类似物，无机BN纳米管 目前已成为备受关注的一类无机纳米体系，并已被实验 合成．由于B、N原子的电负性不同，BN键呈现离子键特征，使BN纳米管具有较高的化学稳定性，因 此有望在材料设计中得到广泛应用．然而，相对于碳纳米管，BN纳米管的非线性光学性质的研究相对 匮乏．已有研究 表明，单纯地通过 c原子取代的方法可提高BN纳米管的二阶超极化率 值，却无 法改善其第一超极化率 。值．而最近的研究结果发现 ，将 LiCN…Li分子装入到BN纳米管中，或 收稿 日期：2012~6—20． 基金项 目：国家 自然科学基金 (