吳隆琴 岑偉富 羅小利
(1.黔南民族幼兒師范高等??茖W(xué)校,貴州 黔南州 551300;2.貴州民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
隨著航天航空、電子技術(shù)和光電子技術(shù)等高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展,傳統(tǒng)的材料已無法適應(yīng)新的發(fā)展趨勢(shì),因此,材料學(xué)界的專家們加快研發(fā)新材料。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)獨(dú)特,因此備受關(guān)注[1]。
日本NEC的Iijima在1991年用高解析度的隧道電鏡技術(shù)制作C60的陰極結(jié)疤時(shí),利用高分辨率的隧道電子顯微技術(shù)研究了一種由2根同軸類石墨柱體組成的碳結(jié)構(gòu)[2],其外徑為515 nm,內(nèi)徑為213 nm。在1992年,美國(guó)科學(xué)家揭示了碳納米管因管壁曲卷結(jié)構(gòu)差異而產(chǎn)生半導(dǎo)體或優(yōu)良導(dǎo)體的特殊導(dǎo)電性,而Ebbesn等[3]提供了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展制備碳納米管的新途徑。1993年,Iijima團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獨(dú)立地找到了一種單層的碳納米管[4]。1996年,Smelly團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用激光蒸發(fā)技術(shù)可以得到高品質(zhì)的單層碳納米管[5],推動(dòng)不少發(fā)達(dá)國(guó)家的科研人員對(duì)碳納米管的制造、性能以及使用等進(jìn)行研究并取得了突破性的成果[6]。
碳納米管在催化材料中具有特殊的電子結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)以及吸附性質(zhì),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面鍵態(tài)的不同,由于表面原子的配合不完整,因此它的表面活性部分會(huì)增加,使其成為一種新型的催化劑載體[7]。該文主要研究單雙壁碳納米管材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)和單壁碳納米管的化學(xué)結(jié)構(gòu)、電子性能以及力學(xué)性能[8]。
碳納米管材料的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)分別由一個(gè)(N,M)指數(shù)來確定,不同的(N,M)對(duì)應(yīng)不同的碳納米管結(jié)構(gòu)。例如當(dāng)N=1、M=6時(shí),(1,6)碳納米管的結(jié)構(gòu)如圖1所示,此時(shí)表面形貌特征為形狀類似圓柱型漁網(wǎng),表面上有一個(gè)分布較為均勻的正六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu);當(dāng)N=3、M=6時(shí),(3,6)碳納米管的結(jié)構(gòu)如圖2所示,與圖1類似,但是納米管長(zhǎng)度比圖1短。單壁(6,6)碳納米管由石墨烯沿著對(duì)角線方向卷曲得到,面上碳原子間以π鍵連接呈六角形網(wǎng)格狀分布,如圖3所示。
圖1 (1,6)碳納米管結(jié)構(gòu)
圖2 (3,6)碳納米管結(jié)構(gòu)
圖3 單壁(6,6)碳納米管結(jié)構(gòu)模型
將單壁(6,6)碳納米管描述為單層石墨烯卷曲成的直徑約0.7 nm~10.0 nm的一維管子[9],為了更好地描述碳納米管的結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)建矢量Ch描述碳納米管的結(jié)構(gòu),其中來描述(和為石墨烯的二維基矢;n、m為整數(shù))。由于纏繞管的加工成形方法有很多差異,因此單壁碳納米管也可以單獨(dú)使用,以顯示它的高純金屬性或半導(dǎo)電性。
該文采用CASTEP軟件包完成計(jì)算工作。采用廣義梯度近似(GGA)方法計(jì)算碳納米管體系的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和力學(xué)性質(zhì)。由收斂性測(cè)試可知,各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)如下:贋勢(shì)采用超軟OTFG贗勢(shì)法計(jì)算,迭代間的能量收劍標(biāo)準(zhǔn)為1×10-6eV/atom,迭代收斂步數(shù)為100,收斂的窗口為3,電子最小迭代值為0.5 eV,壓強(qiáng)的收斂值為0.5 GPa,電子位移迭代收斂值為1.5(1/A),將截?cái)嗄芰吭O(shè)置為300.0 eV。布里淵區(qū)K點(diǎn)選取為3×3×10,所有的計(jì)算都在倒空間中進(jìn)行。
2.1.1 單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)
單壁(6,6)碳納米管能帶結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。由圖4可知,單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)沿布里淵區(qū)高對(duì)稱點(diǎn)G-AH-K-G-M-L-H的路徑展開,價(jià)帶頂在最高點(diǎn)上取得最大值為0 eV,在導(dǎo)帶底最低點(diǎn)取得0.453 eV,因此單壁(6,6)碳納米管的帶隙值為0.453 eV,導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂在布里淵區(qū)M點(diǎn)和L點(diǎn)間的同一個(gè)位置上,由此可得,單壁(6,6)碳納米管屬于直接帶隙半導(dǎo)體。
圖4 單壁(6,6)碳納米管能帶結(jié)構(gòu)圖
2.1.2 單壁碳納米管的電子態(tài)密度
單壁(6,6)碳納米管的態(tài)密度如圖5所示。由圖5可知,在能量區(qū)間-20 eV~-13e V,主要是2s電子態(tài)為價(jià)帶做貢獻(xiàn),2p電子態(tài)對(duì)價(jià)帶的貢獻(xiàn)相對(duì)較??;在能量區(qū)間-13 eV~20 eV內(nèi),2p電子態(tài)貢獻(xiàn)較大,2s電子態(tài)對(duì)價(jià)帶的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。在不受壓力的情況下,碳納米管的態(tài)密度主要由2p電子提供,2s電子提供的態(tài)密度相對(duì)較少。
圖5 單壁(6,6)碳納米管的電子態(tài)密度
2.2.1 彈性常數(shù)
通過表1可以得到計(jì)算碳納米管楊氏模量所需的數(shù)據(jù),通過計(jì)算可以得出碳納米管的體積彈性模量為19.643 87 GPa,可壓縮性為0.050 91 (1/GPa)。由表1~表3可知,單壁(6,6)碳納米管屬于六角晶系,有4個(gè)獨(dú)立的剛度矩陣元(C11、C12、C21和C22)表示碳納米管在單位應(yīng)力下發(fā)生的應(yīng)變,是單壁納米管柔性的一種度量,彈性柔度常數(shù)數(shù)值越大,材料越容易發(fā)生形變。由數(shù)值可知,單壁(6,6)碳納米管力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易發(fā)生形變。由表4可知,當(dāng)應(yīng)力指數(shù)力為1、剛度指數(shù)為8并保持不變時(shí),應(yīng)力值隨應(yīng)變的變化而變化,因此,單壁碳納米管具有很高的楊氏模量、柔韌性和強(qiáng)度。綜上所述,單壁(6,6)碳納米管力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易發(fā)生形變并且具有很高的楊氏模量、柔韌性和強(qiáng)度。
表1 單壁碳納米管的彈性常數(shù)
表2 單壁碳納米管的彈性剛度常數(shù)
表3 單壁碳納米管的彈性柔性性常數(shù)
表4 單壁碳納米管應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
2.2.2 泊松比
通過表5可以得到楊氏模量,從而得到泊松比。其楊氏模量在X軸和Y軸上均為98.979 04 GPa,在Z軸上為784.057 01 GPa。由此可得,單壁(6,6)碳納米管的泊松比在X軸方向的拉(或壓)應(yīng)變所引起Y方向的應(yīng)變分量為1.473 2,在Y軸方向的拉(或壓)應(yīng)變所引起X方向的應(yīng)變分量也為1.473 2,在Z軸上引起X方向的應(yīng)變?yōu)?.067 1,在X軸和Y軸方向與Z軸的應(yīng)變比率都為0.008 5,Z軸在Y軸方向的應(yīng)用比率為0.067 1。
表5 單壁碳納米管的楊氏模量和泊松比
2.3.1 成鍵分析
碳納米管結(jié)構(gòu)中具體的成鍵情況見表6。由表6可知,C5和C8成鍵后鍵長(zhǎng)為1.412 80 ?,C5和C17成鍵后鍵長(zhǎng)為1.419 55 ?,C5和C18成鍵后鍵長(zhǎng)為2.438 54 ?。由鍵長(zhǎng)可以得出,C5-C18鍵能最小,C5-C17結(jié)合強(qiáng)度最強(qiáng),C5-C8結(jié)合強(qiáng)度次之。由此可得,序號(hào)相同的C原子與序號(hào)越大的C原子間更容易結(jié)合,鍵結(jié)合程度越緊密。由納米管的結(jié)構(gòu)圖中可知,成鍵強(qiáng)的原子間是近鄰原子。
表6 碳納米管成鍵分析
2.3.2 電荷分析
碳納米管表面電荷分布情況見表7。由表7可知,碳納米管晶體中各原子在不同軌道上電子分布情況,碳的核外電荷為4個(gè),分布在s軌道和p軌道上。其中,s軌道上分布的電荷為1.05 e,p軌道分布的電荷為2.92 e,d軌道和f軌道上沒有電荷。由于C原子比較穩(wěn)定,因此沒有得失電子,碳原子間以共用電子對(duì)的形成呈共價(jià)鍵,但是轉(zhuǎn)移電荷的正負(fù)表明,C原子中存在電負(fù)性的偏極。
表7 碳納米管電荷布局分析(單位:e)
該文主要計(jì)算了單壁碳納米管的電子特性、力學(xué)特性以及布局分析,采用第一性原理方法,通過其能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、楊氏模量、泊松比以及布局結(jié)構(gòu)等方面討論單壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)穩(wěn)定性,通過以上研究得出以下結(jié)論:1) 單壁(6,6)碳納米管導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂在布里淵區(qū)M點(diǎn)和L點(diǎn)間的同一個(gè)位置上,并且?guī)吨禐?.453 eV,因此它是直接帶隙半導(dǎo)體。除此之外,它的態(tài)密度主要由2p電子提供,2s電子提供的態(tài)密度相對(duì)較少。2) 單壁(6,6)碳納米管力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易發(fā)生形變并且具有很高的楊氏模量、柔韌性和強(qiáng)度。3) 序號(hào)相同的C原子與序號(hào)越大的C原子間更容易結(jié)合,鍵結(jié)合程度越緊密。4) 碳納米管的s軌道上分布1.05單位電荷,p軌道分布的電荷為2.92 e,d軌道和f軌道上沒有電荷。因此,C原子比較穩(wěn)定,沒有得失電子。5) 碳納米管電子比較穩(wěn)定,形成的碳納米管不導(dǎo)電。