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基于碳纳米管的几何结构和电子性质计算

发布时间:2014-07-01

  碳纳米管作为一维纳米材料,是非常重要的碳的同素异形体,具有许多优良的力学、电学和化学性能。本实验基于量子力学从头计算和密度泛函理论,采用CASTEP软件包和Materials Studio软件获得碳纳米管的几何结构及电子结构的微观图形,并分析其物理性质。

实验内容
  实验采用赝势方法的lda的泛函计算,碳纳米管结构图如图1所示。


a. Materials Studio和CASTEP软件包的操作界面如图2所示,图中给出模拟计算的主要实验内容在软件上的实现过程。实验获得的(2,2)碳纳米管可视化的总电荷密度和差分电荷密度(图3)。结果表明,总的电子密度分布于管外,也间接反映了碳是sp2杂化,有利于形成π键;从其差分电荷密度看出碳-碳之间是共价键形式。

b. 绘制碳纳米管的前线轨道,颜色代表电子波函数相位(图4)。碳管中只含有六元环,一种键长,前线轨道图反映其活性点位于管壁外的碳原子上。所以在发生化学反应的时候,这些位置的碳原子容易和其它分子或体系相互作用。

c. 绘制碳纳米管的态密度图,模拟实验软件操作界面和输出结果如图5所示。用origin软件画出态密度图。图5所示的态密度图显示(2,2)碳管呈现半导体性质,有一定带隙。容易利用其发光性质。


功能及效果

    本实验初步学习了采用CASTEP程序计算碳纳米管的电子结构性质的过程,获得了碳纳米管总电荷密度和差分电荷密度、前线轨道、态密度等微观电子结构图象;直观了解了碳纳米管的优良的化学性质,如半导体特性、化学反应特定位置,以及与这些微观电子结构间的关系。这是传统的实验方法所不能涉及的。


实验视频