硅纳米管包裹的单原子碳链的电子性质的理论研究

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摘要：单原子碳链可被看成是极窄的石墨烯纳米带，可通过对石墨烯进行剥离的方法而获得，自被实验上获得后引起了人们的极大兴趣，具有重要的应用前景。然而，暴露于空气中的纯单碳链被认为不易于稳定存在，在实验上常需要借助于保护气。为达到应用，需要对它进行化学环境的保护，比如利用碳纳米管包裹方法等。结合硅基材料的特点，本文利用硅纳米管来封装碳链以达到保护目的，从理论上系统研究碳链封装于硅纳米管内的电子性质。研究结果表明，对于奇偶个数不同的碳链，包裹的硅管对其影响不同。这个结果有助于理解碳链在硅管中的特征，可在理论上对于其相互作用和电子结构特征有进一步的认识，从而为实验提供理论指导。55176

毕业论文关键词：硅纳米管，碳链，密度泛函理论，电荷转移

Abstract: Single carbon chain can be viewed as extremely narrow graphene nanoribbon. The carbon chain could be obtained by stripping from the graphene. Since picked up in experiment, the single carbon chain had been attracted great interest. As it is known, the pure single carbon chain which is exposure in the air would be easy to react with other gas. In experiment, kinds of insert gases are used to stable the carbon chain. There is another way that would be used to act as the role of the protection, such as embedding the carbon chain into the carbon nanotubes. Recently, the silicon nanotubes were supposed to replace with the carbon nanotube, which was supposed to join perfectly with the present silicon materials. In this paper, we investigate the carbon chain encapsulated in the silicon nanotube with first principle method. The results show that the odd and even number of the carbon chain exhibit different properties. The results are helpful to further understand the electronic structural characteristics of these kinds of systems.

Key words: Silicon nanotube, carbon chain, density functional theory, electron transfer

1 前言 4

2 硅纳米管结构 5

3 单原子碳链 6

4 计算模拟方法 6

4.1 SIESTA程序介绍 6

4.2 赝势 7

4.3 计算模拟参数 8

5 结果与讨论 9

5.1 电子结构 9

5.2 电荷转移性质 11

结论 13

参考文献 14

致谢 15

1 前言

单原子碳链可被看成是极窄的石墨烯纳米带，自被实验上获得后引起了人们的极大兴趣，具有重要的应用前景，特别是在分子器件的领域上。纯的单原子碳链基于sp杂化成键轨道而成，也有人将它称为碳的第四个形态(以区别于金刚石结构，石墨/石墨烯结构，碳纳米管/富勒烯结构)。对于理想的单碳原子链，可以以聚炔烃结构（单-叁键交替，），或以聚多烯结构形式存在。基于单原子链的独特性，特别是其可能具有的特殊物理和化学性质，使得人们对其产生极大的兴趣。然而目前在实验上仍然是比较难以有一种可靠和有效的方式获得。

高分辨透射电子显微镜下单碳链形成过程示意

图1-1 高分辨透射电子显微镜下单碳链形成过程示意[2]

在实验上，对石墨烯进行切割制备，形成了石墨烯纳米带，通过进一步切割剥离等可获得碳链结构[1-2]。通过实验和理论模拟和分析发现，对于有限的单碳链结构，特别是实验上进行剥离后，如图1-1所示，单碳链因夹与石墨烯之间的单碳链的个数不同，出现了独特的奇偶差异性[2-3]。对于偶数个碳链，趋于形成单-叁键交替的结构；而对于奇数个碳原子，则组成的碳链键长趋于相等，近双键性质[4]。这个差异性，可用来设计应用于分子器件中，如Shen等利用理论方法详细讨论了单原子碳链夹于石墨烯电极之间的电子传输性质，发现不同碳原子数（奇偶性）表现出不同的电导性质[4]。Dong等从理论上进一步研究了分子和石墨烯电极的几何对称性对电子传输性质的影响[5]。Xu等从理论上也发现基于单碳链和Zigzag石墨烯纳米带电极模型，可在自旋电子学领域有较大的应用前景[6]。Cretu等首次在实验上设计和测量了单碳链的电导性质，发现在测量中单碳链在聚炔烃和聚烯烃之间转化[7]。这些工作的开展有助于单碳链分子在电子学领域的应用。