第一性原理方法介绍

第一性原理

摘要

碳纳米管是近年来材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。由于其具有介观尺度及奇异的物理化学性能而被认为极具理论研究价值；从实际应用的角度来看,碳纳米管直接与纳米技术相关联,也倍受人们关注。通过如 STM、Raman,吸收谱等实验,人们已经初步了解了碳纳米管的众多奇特结构和性能。为了能更进一步弄清碳纳米管的结构和物理特性,理论模拟就显得非常必要。基于密度泛函的第一性原理,本文研究了钙掺杂对碳纳米管吸附二氧化碳性能的影响。

关键词：密度泛函理论,第一性原理,碳纳米管, 电子结构

引言

一、 计算物理学简介

计算物理学是利用电子计算机进行数据采集、数值计算和数字仿真来发现和研究物理现象与物理规律的一门现代交叉学科。

计算物理学中的一个重要的研究领域是凝聚态体系的电子结构。由于物质所表现出的许多宏观物理特性,比如超导电性、半导体发光特性、过渡金属的磁性等都和体系的微观电子结构密切相关,并主要由电子的行为所决定,因此研究物质的电子结构是求解相互作用的多电子体系问题。其实质是一个多体问题的研究。对于这样一个复杂多体问题的研究,密度泛函理论(DFT)为人们提供了一个较为有效的解决办法。

以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,而且它还可以帮助人们预言许多新的物理现象和物理规律。密度泛函计算的一些结果能够与实验直接进行比较,一些应用程序的发展乃至商业软件的发布,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。

通过计算,人们可以分析某种结构模型对应的物理现象,可以预言有关材料的结构和稳定性等,可以人为设计具有人们希望的物理性能的结构材料。

二、论文工作的内容和意义

目前碳纳米管及其管束的物理性能和应用研究已成为人们关心的热点问题,特别是随着微电子器件的高度集成化和微尺度化的发展趋势,开发以碳纳米管为基础的纳米电子器件将成为本世纪的焦点内容。

在理论上,X. Blase等人指出由于在费米面附近σ*-π*轨道间的杂化效应,使得在小管径的电子带结构有别于传统的从石墨片折叠模型得到的电子带结构。这种杂化效应将改变最低导带的能量和特征从而对电子结构产生影响,甚至在半导体的管中出现金属的能带特征。第一原理计算表明,对应 0.4 nm 直径碳纳米管的(5，0)、(3, 3)、(4, 2)三种碳纳米管中,(5，0)和(3, 3)的能带显示它们表现为金属性,而(4, 2)是具有 0.2eV 带隙的间接半导体。从传统的石墨片折叠理论来讲,锯齿型管(5，0)应该是半导体的,但由于小管径的碳纳米管中σ*-π*轨道间的杂化,使得(5，0)的电子结构发生了变化,而呈现金属性。

另外,硼和氮掺杂的碳纳米管被成功制备。用紧束缚方法和第一原理计算表明,这种硼和氮掺杂的碳纳米管是 p 型和 n型碳纳米管。碳纳米管已被证明在常温下是一种新型的化学传感器,能够以较高的灵敏度检测到含量甚微的气体分子。但是碳纳米管对许多类型气体不是很敏感,如氢气和一氧化碳,通过硼和氮掺

第一性原理

杂对碳纳米管进行合理的化学或物理改性,可提高其对这些气体分子的敏感性,使之成为性能卓越的传感器。最近,Nevidomskyy等人用密度泛函理论研究了掺氮杂质的碳纳米管。当把两个掺氮杂质的碳纳米管面对面的放在一起,并且使管间距离为 2.5 的时候,他们发现了管间键的形成。这有可能使得掺氮的碳纳米管在管间遂穿作为可控遂穿结方面有着潜在的应用。实验和理论的不断发展让我们看到碳纳米管结构的丰富性,同时也向人们展现了制备出更细碳纳米管的可能性。那么碳纳米管的最小可能直径是多少,碳纳米管的热稳定性与其结构之间有什么关联,稳定存在的小直径碳纳米管的电子结构究竟如何？这些是我们关心的问题。因为掺杂对碳纳米管的性能起着重要的修饰作用,研究碳纳米管的掺杂有着明显的现实意义。

基于以上这些理由和认识,本文以密度泛函理论为基础,利用第一性原理的计算软件 CASTEP,从理论上来探讨碳纳米管的最小可能直径,研究碳纳米管结构和热稳定性之间的关联,并且从能带、态密度等考察了 3 碳纳米管的电子结构。另外,我们还研究了硼氮掺杂对碳纳米管结构和性能的影响。

第一章 碳纳米管简介

第一节 各种碳纳米管的发现

第二节 单壁碳纳米管的几何结构特征

第三节 碳纳米管的主要性能

碳纳米管的纳米尺度、结构和拓扑缺陷等因素赋予了其极为独特而有广阔应用前景的性能。在本文中,我们主要介绍以下三个方面：

一、纳米尺度形成的细微结构

由于碳纳米管在圆周方向的有限尺寸,碳纳米管碳原子在径向被限制在纳米尺度上,其π电子将形成离散的量子化能级和束缚态波函数,因此产生量子尺寸效应,对系统的物理和化学性质产生一系列的影响。此 …… 此处隐藏：3012字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……