單壁碳納米管軌道雜化和電子性質的研究.pdf

1、碳納米管自1991年問世以來，就以其獨特的納米尺度管狀幾何結構，優異的物理、化學性質，驚人的剛度、強度和彈力等性質吸引著物理學家、化學家、材料家的廣泛關注，成為近十年來凝聚態物理和材料科學研究的一大熱點。 由于卷曲效應，單壁碳納米管中π軌道并不與表面垂直(π軌道重新參與雜化)，而有一定的傾角δ，實驗上已通過掃描隧道顯微鏡(STM)觀察到δ的存在。本文中，首先根據單壁碳納米管的幾何結構，解析計算了三種不同類型(鋸齒型、扶手型、手性

2、)SWCNTs的π軌道傾角，結果表明三種傾角是不完全相同的，由此得到的結論與參考文獻[64]中用同一近似公式表達的三種類型SWCNTs的π軌道傾角相比較，所得結論更能體現不同類型管子傾角的差異。 基于得到的π軌道傾角，根據雜化軌道理論計算了SWCNTs的重雜化軌道，給出SWCNTs重雜化軌道成分的解析式。結果表明：對于管徑較小的納米管，鋸齒型(n＜40)，扶手型(n＜20)，手性型(n＜30，m＜n)，s軌道成分較大，不宜視為s

3、p2雜化，由此可知卷曲效應對SWCNTs雜化軌道造成不可忽略的影響。 由于在SWCNTs中，格點原子波函數并非正交歸一的基函數，在上述得到的重雜化軌道基礎上，本文用格點原子波函數建立正交歸一的Wannier基函數(稱為擴展的Wannier基函數)，在此基下，按照SWCNTs的幾何結構，以鋸齒型管和扶手型管為例討論SWCNTs的近鄰電子跳躍能、能帶、能隙等電子性質方面的問題。結果表明：散射系數k能增大SWCNTs的近鄰電子跳躍能和

4、能隙值。由此說明π電子受到σ軌道的散射，π電子有可能占據σ軌道，σ軌道能增大π電子的局域性。σ軌道成分的存在使得鋸齒型(9，0)管的半金屬性更強，扶手型金屬管能隙略微增大。此外，π雜化軌道傾角δ能影響SWCNTs的近鄰電子跳躍能及相應能隙值，對于小管徑的納米管時卷曲等效應對管子的電子性質有著重要影響。除此之外，本文還舉例研究了鋸齒型(9，0)管的能帶、能隙值。采用兩種方法進行比較：本文的方法和參考文獻[45]中的方法。結果表明：兩種方法