改性低维碳材料的结构及性质的密度泛函研究

• 作 者: 贾亚博
• 机 构: 浙江工业大学
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 硅碳纳米管 石墨烯 电场 密度泛函理论 二氧化硫 羟基

低维碳材料由于其优良的光学、电学和机械性能已成为众多领域的研究热点，并且在半导体器件、储氢、催化等方面展现出潜在的应用前景。近年来，通过改性来调控低维碳材料的电子性质已经成为化学家特别是理论学家的研究热点之一。因此，本论文基于密度泛函理论，从物理和化学改性两个角度，分别研究了外电场作用下的硅碳纳米管和羟基化的石墨烯电子结构与性质，旨在探索一种合适改性策略以提高低维碳材料的性能。首先，我们探索了在外部电场作用下（5,5）硅碳纳米管检测SO₂的可能性。在不加电场下，SO₂能有效地吸附在硅碳纳米管上，但是却不能使其电子性质发生明显变化。然而，有趣的是，电场作用下的硅碳纳米管不仅能有效地吸附SO₂分子，而且其自身的电子性质从半导体转变为导体。通过系统研究，我们发现：硅碳纳米管带隙的减少归因于电场作用下S–C键的断裂。此外，进一步研究显示：只要SO₂的浓度超过20%、电场强度达到9.00V/nm时，硅碳纳米管的的带隙从1.75eV降低为0eV。因此，在适当强度电场作用下，硅碳纳米管可以作为检测SO₂的传感器。再者，我们研究了羟基化石墨烯的几何结构和电子性质。我们研究了不同数量（OH）_n（n=1-6）在6×6石墨烯的吸附规律，表明由于两个OH间氢键作用的驱动，相邻碳上的两个OH形成反式结构为最稳定构型。另一方面，羟基化的石墨烯的部分碳原子成键形式也发生变化，由sp²杂化转变为sp³杂化，这是形成稳定构型的原因之一。进一步，能带和态密度分析显示羟基化的石墨烯电子结构发生了明显的变化，已经从零带隙的半导体转变到具有一定带隙的窄带半导体。因此，我们可以看出羟基化改性能够改变石墨烯的电子结构。