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由于半导体纳米管优越的物理和化学性能,近年受到了越来越多的关注。我们选择了两种重要的半导体纳米管:碳化硅纳米管和硒化镉纳米管,运用第一性原理方法研究了它们的弹性性质如何随纳米管的大小而变化,并尝试解释引起这种变化的原因。结果表明对于碳化硅纳米管:
一、其杨氏模量随着纳米管直径的增加而增大,并与碳硅键长的变化成反比关系,泊松比是随着纳米管直径的增大而减少的。对于同一直径的纳米管,扶手型纳米管的杨氏模量要比锯齿型纳米管的稍大。对于小的纳米管杨氏模量随管径变化很快,当直径大于8 A时,两种纳米管的杨氏模量变化缓慢,而且其差别逐渐消失。
二、为了从物理的角度解释纳米管的弹性性质的变化情况,我们分析了不同纳米管硅原子转移到碳原子的电荷量。发现越大的纳米管转移的电荷越多,以致碳与硅原子相互结合得更紧密,所以它们的键长越短,也就是体系更稳定,解释了上述的结果。
三、弹性性质的变化也反映在碳原子和硅原子之间的结合能和键角上,结果表明随着直径的增加两种原子间的结合能的绝对值和键角是增大的,所以它们更稳定。泊松比的变化趋势也符合这样的结论。
另外,对于硒化镉纳米管的各种性质和变化趋势与碳化硅纳米管的总体趋势类似。不同的是硒化镉纳米管的杨氏模量和泊松比随着管径呈阶梯型变化。
总结以上,可以看到对于半导体纳米管,杨氏模量是随纳米管直径增加而增大的,当直径较大时扶手型纳米管和锯齿型纳米管的弹性模量差别不大且随直径增大变化缓慢。