修饰型碳纳米管的输运性质研究

【摘要】自碳纳米管被发现以来，它就以优异的电学及力学性能引起了物理、化学及材料等领域学者的广泛关注，成为制备纳米电子器件的理想材料之一。作为在低维度探究新型量子现象的特殊材料，它们可以大量生产并且可以塑造成不同的几何结构，展现出多样的物理性质。此外，单壁碳纳米管的物理特性均由其半径和手性决定，但碳管中的缺陷和杂质可使其特性发生变化。自1993年Ajayan和Iijima率先得到了填充有Pb的多壁碳纳米管后，大量的理论计算和实验研究表明，在碳纳米管的量子内腔中，不仅填充物质自身的形态结构和理化性质与其宏观状态相比发生了变化，而且在一定程度上也对碳纳米管的性质产生了很大的影响。由于过渡金属和有机金属分子封装进碳纳米管内的一些基本特性和它们实际应用的可能性，这类系统已经获得了广泛的关注，它们是新型纳米器件理想的候选者，有可能产生磁性功能化碳纳米管。本文应用第一性原理的计算软件AtomistixToolKit（ATK），运用非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT），对不同手性单壁碳纳米管封装进不同种类、不同数量的过渡金属原子以及磁性分子之后的复合系统进行了模拟研究。首先研究了金属原子修饰（吸附或填充）的（7,0）碳纳米管复合系统的电子结构以及输运特性。对金（Au）原子修饰的碳纳米管体系的输运模拟计算发现，根据Au原子的数量不同，修饰后的纳米管复合系统的透射都是各不相同的；而且沿碳管中轴周期性地嵌入Au原子后，（7,0）碳管复合系统的电子结构发生了改变，由半导体性变成了导体性，说明填充物在很大程度上对碳纳米管性质产生了影响。对一个铁（Fe）原子嵌入（7,0）碳纳米管系统的输运模拟计算发现，弹道输运的特征会受到一定程度的破坏，量子化传输性质逐渐缺失，并且这些变化均与自旋有关。然后研究了分别嵌入一个过渡金属原子（Fe、Co、Ni）的（4,4）碳纳米管系统的电磁输运性质，发现三种体系都在费米面附近出现自旋相关的电导下降谷，显示出自旋相关输运性质。并且将Fe原子嵌入在纳米管的轴向不同位置得到的电导曲线完全相同，说明电导曲线是特征性的，由修饰的金属种类确定，可以利用这一性质来检测过渡金属种类。其次，进一步研究碳管内封装两个铁原子体系的输运性质，考虑了铁磁和反铁磁两种状态，对双Fe原子嵌入（4,4）碳纳米管系统在费米面处的电导极化率、I-V特性关系图以及随偏压变化的透射谱图进行比较研究，发现在小偏压范围内，I-V的变化都呈现出线性关系；随着电压的增加，双Fe原子反铁磁态体系的电流曲线出现非线性转变。计算结果表明磁性状态的改变会导致不同的电输运特性。最后，我们研究了有机金属化合物修饰的碳纳米管复合系统，将二茂铁分子和三种不同长度的二茂铁分子线填充进（6,6）碳纳米管，通过对复合系统的透射曲线、本征通道以及磁性状态的计算分析等，发现嵌入不同构型、不同磁性的二茂铁分子线后系统展现出特异的传输特性，并且嵌入二茂铁分子线的磁性状态也能改变碳纳米管的电输运性质，利用这一特性可以探测微弱磁场的变化，在气体分子感应器件方面也有很好的应用前景。
【作者】刘曼；
【导师】周丽萍；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】第一性原理计算；碳纳米管；过渡金属原子；自旋极化；

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