石墨烯与关联单壁碳纳米管物理特性比较的研究.pdfVIP

N 第26卷第2期 黑龙江大学自然科学学报 VoL26 0．2 JOURNAL0FNATURALSCIENCE0F UNlVERSlTY 2009年4月 HElLONGJIANG April，2009 石墨烯与关联单壁碳纳米管物理特性比较研究 2 颜浩然1， TAGAMIK TSUKADAM 王利光1， 2， (1．江南大学理学院，无锡214122；2．早稻田大学纳米研究中心120—5，东京162—00041) 摘 要：采用基于广义梯度近似(GGA)的密度泛函方法(DFT)对石墨烯和卷曲后的关联碳纳 米管(8，0)进行了理论研究。结果表明石墨烯每行斜键键长呈AAB周期变化，关联碳纳米管斜键 长度成AABB规则变化，竖键长度均不变。石墨烯的密立根电荷数值大小分布无明显规律，内部原 子多为正值，外部多为负值。关联碳纳米管的密立根电荷分布相对较有规律。碳纳米管的内部碳 原子也有吸引电子的能力，从而与其它原子形成离子性键。两者在费米能级态密度大部分均由p 轨道贡献。但是关联碳纳米管的费米能级也有一部分来自于s轨道电子的贡献，而石墨烯则几乎 没有来自s轨道的贡献。 关键词：石墨烯；单壁碳纳米管；密立根电荷；态密度；广义梯度近似 中图分类号：0189．1文献标志码：A 1 引 言 walledcarbon carbon carbon nanotube，SwCNT)，双壁(double—walled 的六边形平面组成的圆柱。管壁展开铺平后，即是石墨单层。2004年，NovoseloV等人旧‘3o成功地制备了石 墨单层样品，称为石墨烯(graphene)。石墨烯的片层结构与碳纳米管的管壁非常相似，因此在宏观上，人们 往往认为碳纳米管是由单层或者多层石墨烯卷曲而成，称其卷曲成的碳纳米管为关联碳纳米管。虽然结构 有相似之处，但是两者物理特性多有不同，因此研究石墨烯与关联碳纳米管的物理特性变化是有意义的。 利用广义梯度近似(GGA)密度泛函理论，采用石墨单层二维结构，对其卷曲成单壁碳纳米管引起的物 理结构变化进行了讨论，分别计算了石墨烯和关联碳纳米管的键长，密立根电荷，能带以及态密度，并对结果 进行了比较。结果显示，石墨烯和碳纳米管的键长均成规律性变化，其中，斜键长均小于竖键，竖键的长度均 是不变的。卷曲后，石墨烯的键长有所缩小。石墨烯的密立根电荷大小分布没有规律，电性呈现负值的原子 均在外围，内部原子均呈正值。而碳纳米管的内部原子电荷分布呈轴心对称，且内部原子和外围原子的密立 根电荷均可呈现负值。在能隙变化中，石墨烯的能隙要比碳纳米管的宽，但是两者仍属于半导体材料范畴。 石墨烯和碳管(8，0)费米能级的能态密度几乎全部来自p能级的贡献，相比之下，碳管(8，0)的s轨道也提 供了费米能级附近的少量能态密度。 2 计算原理 定，体系的波函数以及本征值就随之确定。根据这个思想，Kohn和Sh锄提出了Kohn—Sh砌方程‘41 收稿日期：2008一12—19 项目(20060360563) 作者简介：颜浩然(1982一)，男，硕士研究生，主要研究方风：纳米电子学 通讯作者：王利光(195l一)，男，教授，博上生导师，E一Ⅱlail：wandigIlang@jiall印鲫．cdu．cn 万方数据 ·26D· 黑龙江 大 学 自 然科学 学报 第26卷 一号V (1) 对密度的泛函表达式。 J7v电子体系的总能量可以精确