单壁碳纳米管中金纳米线结构特征的模拟研讨.pdf

单壁碳纳米管中金纳米线 结构特征的模拟研究 作 者： 肖 勇 指导教师： 王月霞副教授 专 业： 原子与分子物理 现代物理研究所 摘 要 自从1991年碳纳米管首次被发现以来，人们发现碳纳米管具有管状结构、 小尺度、高硬度和优良的电学、力学等特性；碳纳米管还具有高的比表面积，被 预言是一种良好的吸附材料。此外，人们利用其独特的胶囊状结构，在碳纳米管 中填充了各种物质，以制备不同功能的杂化材料(hybridmaterials)，其中就 包括填充金属粒子，比如Cu、Pb、Fe、Hg等。目前实验已成功实现对金属材料 的填充，理论预期金属组装进碳纳米管将有很多优异特性：延缓金属氧化；制备 高效率、多功能的催化剂；获得特殊电、磁、力、热学性能的复合材料等。实际 上，这种杂化材料界面间相互作用会影响其结构组态，从而反映出不同的物理性 能。因此，本论文利用分子动力学模拟方法，通过对系统逐步退火，研究了金在 (n，n)单壁碳纳米管(SWCNT)内的结构特性，并探讨了其结构形成的机理。 本工作采用Tersoff-Brenner多体势描述碳一碳原子间的相互作用， 束缚多体势模型描述金一金原子间的相互作用。 本文首先模拟研究了在填充金原子数目相同(N=306和N=600)的条件下， 其形成结构对碳管(n20)径向尺寸的依赖关系。发现金原子在碳管内形成与其 体结构完全不同的螺旋状层形纳米线结构；随着管径的增大，这种层形结构的层 数随之增加。研究表明其层间距与金一碳以及金一金原子间相互作用密切相关。最 外层金原子与碳管壁之间的距离略大于O．3纳米，正处于C_Au的L-J势的阱深 范围，此时碳原子和金纳米线之间的相互作用力最小；内层的层间距则从0．208 纳米到0．233纳米之间不等；金纳米线内最近邻原子间距的计算值约为0．287 纳米，和其fcc体结构的第一近邻距离(0．288纳米)非常接近。 随后我们研究了填充金原子数目对结构的影响(N∈[55，600])。研究表明， 对于小管，如n=8、10、12，不管填充原子数为多少，金纳米线的结构始终为螺 旋状层形，与满填充下的结构一致；由于管的限制作用，原子数的增加仅使填充 物沿轴向纵向生长。而对于稍大管，如n=14、16、18，随着填充金原子数目的 减少，金的最终结构则从先前的螺旋状层形结构过渡到类似其体状的fcc结构。 为了进一步揭示这种结构过渡的发生机理，我们研究了固定金原子数 填充金主要形成fcc结构。我们进而把管径外推到了无限大的情况，即金在单层 石墨层(graphene)上的吸附。多次计算实例表明，填充Au最终结构是良好的 fcc结构。这表明，存在金一碳间界面作用与金一金间体作用的竞争，这种竞争导 致不同结构的形成。 我们的研究结果表明，填充金属的结构特征主要取决于两个因素：SWCNT的 管径和填充金属原子的数目。 关键词：分子动力学模拟、单壁碳纳米管、金纳米线、填充、结构特征 中图分类号：0562．4 Ⅱ Abstract Sincethe ofcarbon 199 isfoundthatcarbon discovery nanotube(CNT)in1，it nanotubewith structureandnanometerscalehas special manyoutstanding as electronicandmechanic and characteristics，suchhighrigidity,excellent properties SOon．CNTalsohas surface high area．Thereforeit’S to