碳纳米管的结构缺陷与表面修饰的理论研究
碳纳米管具有许多新颖的物理性质和化学性质，因而是一种有着广泛应用前景的纳米器件材料。然而，实际的碳纳米管上总不可避免地存在着各种结构缺陷。这些缺陷影响了碳纳米管的性质，因而会妨碍碳纳米管将来的应用。因此，提高碳纳米管的质量具有重要的实际意义。本论文基于紧束缚近似和密度泛函理论的计算，系统地研究了碳氢基团对碳纳米管的表面修饰，发现碳氢基团不仅能够修复碳纳米管上的单空位缺陷，还能改变碳纳米管的电子结构。另外，本文还对含有单空位缺陷碳纳米管以及吸附碳氢基团的碳纳米管的振动特性，以及一种新型的低维碳基材料的结构及性质进行了研究。论文共分为五章。
在第一章中，我们首先回顾了低维碳基材料的发展过程。然后对碳纳米管的结构、主要特性以及碳纳米管在储氢、复合材料、场发射、碳纤维材料方面的应用作了简要的介绍。
在第二章的开始，我们对目前凝聚态理论计算中常用的经验势方法、紧束缚势方法和第一性原理方法的优劣作了概括性的比较。重点介绍本论文所用到的第一性原理密度泛函理论和经验的紧束缚势方法及其参数化形式。最后，介绍了结构优化算法。
在论文的第三章，我们系统地研究了碳氢小基团(CH、CH2、CH3)对碳纳米管的表面修饰。基于紧束缚势方法的理论计算，我们主要讨论CH、CH2、CH3在碳纳米管的单空位缺陷以及无缺陷区域的吸附，发现在较低温度下，吸附在单空位缺陷上的CH、CH2能修复或改善该缺陷的结构。吸附在无缺陷区域上的CH、CH2和CH3室温下能迁移到单空位缺陷附近。其中，CH和CH2可以修复或改善缺陷结构，但CH3不能改善碳纳米管上的缺陷结构。我们的结果合理地解释了相关的实验现象。基于密度泛函理论，我们还研究了吸附在碳纳米管上的碳氢基团对碳纳米管的电子结构的影响。
振动特性是体系的本征属性之一，它与体系的原子化结构密切相关。一般来说，体系结构的变化会在其振动谱上有所表现。因此，振动谱可以充当样品的指纹。论文的第四章主要研究含有单空位缺陷的碳纳米管以及吸附了碳氢基团的碳纳米管的振动性质。我们发现了碳纳米管上单空位缺陷的两种特征振动模式，它们可以看成是单空位缺陷的的指纹。另外，我们还得到了吸附在碳纳米管外壁上的碳氢基团的主要振动特征。根据不同体系的C-H拉伸振动的个数和频率的不同，可以对吸附的碳氢基团进行判别。
在第五章中，基于实验上发现的一种碳基新材料--碳纳米树芽(它是由碳富勒烯在碳纳米管外壁上共价结合而形成)，我们研究了C60和不同尺寸的扶手椅型碳纳米管所构成的碳纳树芽的结构形貌，并讨论了它们的电子结构、光学性质和振动性质。
碳纳米管;结构缺陷;表面修饰;碳纳米树芽;单空位缺陷;电子结构;光学性质
中国科学技术大学
博士
凝聚态物理
潘必才
2008
中文
TB383;O771
110
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）