【摘 要】
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碳纳米管是纳米材料中的明星，特别是单壁碳纳米管，由于它具有奇特的几何与电子结构而在复合材料、传感与检测、场发射器件以及纳米电子器件等众多领域受到人们的广泛关注。实验
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碳纳米管是纳米材料中的明星，特别是单壁碳纳米管，由于它具有奇特的几何与电子结构而在复合材料、传感与检测、场发射器件以及纳米电子器件等众多领域受到人们的广泛关注。实验制备得到的单壁碳纳米管都是金属性与半导体性共存，这严重影响了它们的应用，当下在纳米管研究方面的挑战之一就是将这两种导电类型的单壁碳纳米管进行分离。大量研究表明，在单壁碳纳米管中引入杂质原子可以改变碳管的几何与电学性质。基于这点，越来越多的研究认为通过杂质原子对金属性单壁碳纳米管的修饰改性来除去金属碳管获得纯净的半导体碳管。本文主要研究探索掺杂对于金属性单壁碳纳米管几何结构和电学性质的影响。 本文研究了硼(B)、氮(N)两种元素分别以单原子替位形式掺入金属性(4，0)小半径单壁碳纳米管对其几何和电子结构的影响。用基于密度泛函理论的第一性原理对(4，0)单壁碳纳米管掺杂前后和掺杂不同浓度硼或者氮原子后进行了以下方面的计算：几何形状结构和电子能带结构，杂质的形成能、总能量和态密度。分析计算结果得出纯净(4，0)单壁碳纳米管具有超导性，掺杂硼和氮两种原子后，几何结构产生轻微变化以使掺杂碳管达到最稳定结构；掺杂碳管导电性下降，并随掺杂浓度的升高导电性变得更小。掺杂硼元素单壁碳纳米管的形成能显示硼元素掺杂浓度越高，掺杂越容易进行；掺杂硼元素后，(4，0)锯齿型单壁碳纳米管出现带隙，并且带隙的大小随着掺杂浓度的增加而增加；硼元素在单壁碳纳米管中的掺杂位点不同，硼碳两元素的成键方式不同，决定了杂质的形成能级不同。研究氮元素掺杂(4，0)锯齿型单壁碳纳米管可以得出，掺杂微小量的氮元素时，单壁碳纳米管导电性能变化不是特别明显，当氮元素的掺杂量达到一定值掺杂氮元素单壁碳纳米管出现带隙。 本文还通过第一性原理计算方法研究了硼磷(P)两种元素共掺杂对大半径金属性单壁碳纳米管电学性质的影响。选取(9，0)锯齿型和(6，6)扶手椅型两种类型的金属性单壁碳纳米管为研究对象，计算结果表明当硼和磷共掺杂于大半径金属性单壁碳纳米管时二者倾向于形成硼磷对，并且他们的最优掺杂位点是与碳管主轴成30°的P1位点；(9，0)和(6，6)两种类型的金属性单壁碳纳米管掺杂硼磷对后都转化为半导体型的，并且能隙随着掺杂浓度的增大而增大；本文还特别研究了两个硼磷对掺杂时二者相对掺杂位置的不同对电学性质的影响，通过计算分析得到，两个硼磷对相对位置越远，掺杂单壁碳纳米管的能隙越大。
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