[材料科学]水分子吸附碳纳米管场发射性质研究.ppt

First-principles density-functional investigation of the effect of water on the field emission of carbon nanotubes L Qiao, W T Zheng, Q B Wen and Q Jiang Department of Materials Science, State Key Laboratory of Superhard Materials, and Key Laboratory of Automobile Materials of MOE, Jilin University, QianWei Road 2699, Changchun 130012, People’s Republic of China 论文来源：吉林大学材料科学与工程学院 材料物理与化学专业 论文作者：L Qiao, W T Zheng, Q B Wen and Q Jiang 乔靓 郑伟涛 水分子吸附碳纳米管场发射性质研究 主讲学生： 太原理工大学 材料物理0901 XXXX 背景介绍 模型和计算方法 结果分析 小结 一、提纲 碳纳米管简介 选取和构建模型 计算方法和参数 外加电场 几何优化 优化吸附能 诱导偶极矩 LUMO-HOMO带隙 Mulliken布居分析 1.1 碳纳米管简介---发现 在 1980 年Iijima就在电子显微镜下观察到了奇特的同心球形结构。1991年，Iijima用高分辨电子显微镜观察电弧蒸发后在石墨阴极上形成的硬质沉积物时，发现阴极炭黑中含有一些针状物，这些针状物是由直径为 4~30 nm、长约 1 μm、原子层的数目从 2 到 50 不等的同轴圆柱形管状碳原子层套构而成，首次发现了碳纳米管(CNT)。 二、背景介绍 1.2 碳纳米管简介---结构 碳纳米管是将单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝圆柱状壳层结构，其径向尺寸很小。管壁一般由碳六边形环构成，此外还有一些五边形碳环和七边形碳环对存在于碳纳米管的弯曲部位。 单壁碳纳米管存在三种类型的结构，分别为扶手椅型碳纳米管 (armchair)、锯齿型碳纳米管 (zigzag) 和手性型碳纳米管 (chiral)，如图 所示。 1.3 碳纳米管简介---性质 碳纳米管的出现不过十多年的时间，却引起了全世界的极大关注，成为物理、化学和材料科学等学科中最前沿的研究领域。 作为一种准一维纳米材料，碳纳米管重量轻，六边形结构完美连接，具有许多异常的性能如力学性能、电磁性能、热学性能和场发射性能。 1.4 碳纳米管简介---应用 诺贝尔奖获得者 Smalley 称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新材料”。这说明碳纳米管的应用潜力是难以估量的。其潜在的应用领域包括以下几个方面。 场发射。 探针显微镜针尖。 电子材料与器件。 复合材料增强剂。 贮能、贮气材料。 总之，随着碳纳米管合成和提纯技术的日益成熟，大量合成碳纳米管以及合成取向的碳纳米管已经成为可能。碳纳米管的应用领域将不断扩展，尤其在纳米电子器件和复合材料领域的应用将会有很大的突破。 1.4 碳纳米管简介---应用 2001 年，Maiti[101]等人的第一原理计算结果表明，通过在碳纳米管尖端吸附水分子，可以明显降低碳纳米管的离化能，使电子更容易发射出去。随后水分子吸附下碳纳米管的研究受到了广泛关注，并取得了不断的进展。 在本篇论文中，作者试图从第一原理密度泛函理论出发，研究施加外电场情况下，水分子吸附对一端封闭的扶手椅型单壁碳纳米管的几何结构和电子结构的影响，从中找出表面诱导偶极矩、Mullken 电荷分布及局域态密度等与场发射性质相关的电子结构的变化规律，并揭示水分子在增强碳纳米管场发射性能中的重要作用，以此来指导碳纳米管在场发射器件上的应用。 三、模型和计算方法 1.计算方法 计算的理论基础：第一原理密度泛函方法 所采用的计算软件：DMol3软件包 本章所有的计算都采用商用软件Materials Studio (由Accelrys公司出品，安装在SGI Origin 300 服务器上) 中