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碳纳米管和纳米线因为在低维物理的基础研究方面的重要性和在纳米电子器件中的应用前景而受到人们的广泛重视。最近一些实验表明,人们已经用单根碳纳米管或者纳米线成功制得了纳米尺度的场效应管、传感器等纳米器件。碳纳米管和纳米线作为纳米器件的互连线以及功能组元在纳米电子、光电器件中发挥不可替代的作用。因此,深入地研究碳纳米管和纳米线的结构及电子输运性质对纳米电子器件的开发具有重要的意义。
虽然近几年纳米科学与技术有了突飞猛进的发展,但是有很多领域的研究还不够完善,需要我们去深入地探究。当物质被束缚在碳纳米管中时,形成超细、组织有序的纳米线,原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持,而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论金属单质、合金、半导体材料以及水分子被束缚在碳纳米管中时所表现出的奇异的结构性质和电子输运性质。
我们分别采用密度泛函、基于分子动力学的模拟退火、几何优化的方法研究碳纳米管中的Ni、Ni-Al合金、半导体(Si、Ge、Sn)纳米线的结构演化。研究发现,束缚在碳纳米管中的纳米线的稳定几何构型为螺旋、多壁、圆柱形的结构。我们还研究了这些纳米线的电学性质,例如:能态密度(DOS)、电流-电压(I-V)特性、电导-电压(G-V)特性。由于量子尺寸效应,纳米线的电流-电压(I-V)曲线是非线性的,这与传统的欧姆定律完全背离。计算结果表明Ni纳米线的电子输运性质依赖于纳米线的几何结构和尺寸。Ni-Al合金纳米线中Ni原子的掺杂对合金纳米线的整体生长模式没有太大的影响,而合金纳米线的电导随着掺杂原子(Ni)数目的增多而减小。通过比较Si、Ge、Sn三种半导体纳米线的一些非平衡输量子输运性质,我们发现Ge纳米线的电导-电压(G-V)曲线的波动与其它两者相比更有规律,因此Ge纳米线中的电流更容易被控制,这些研究结果对更好的理解量子输运和设计纳米电子器件有着重要的指导意义。
通过采用分子动力学模拟,我们得到了低温下水分子在碳纳米管中形成的三边形、四边形、五边形和六边形的纳米管结构。同时还得到了螺旋、壳层结构的冰纳米线,其中央是一根单分子链,这根单分子链被一个由六股螺旋分子链构成的螺旋分子壳层所包围。我们还研究了低温条件下,碳纳米管及其内部的冰纳米管同时受到轴向应力作用时,整个体系的结构演化过程。研究发现冰纳米管具有极强的脆性。在整个体系的拉伸过程中,碳纳米管中的冰纳米管变成了很多个冰纳米环,更有趣的是由六股螺旋单分子链构成的螺旋分子壳层变成了形似弹簧的一股单分子链。
人们已经用C60成功制备出单分子晶体管,并开展了许多相关的研究。但是C60几何形变对晶体管的功能所产生的影响至今还不明确。本文详细讨论结构形变对C60电子结构和电子输运性质的影响。在分子动力学模拟过程中,采用了第二代Brenner经验势来描述C60中C原子之间的短程相互作用。研究发现C60被压缩到应变为ε=0.31时会出现突然塌缩。在压缩过程中,C60的电导峰值随着应变的增加而减小,直到C60被压缩到应变为ε=0.31为止。有趣的是,在C60开始出现塌缩的时候电导峰值出现了小幅度增长。