1、因其獨(dú)特的電子傳輸、機(jī)械、氣體吸附等性質(zhì)，碳納米管已在多種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)介入五元、七元或者八元等非六邊形環(huán)連接而成的Y、T、X、I或者L型碳納米管異質(zhì)結(jié)，可用于制造二極管和晶體管等電子器件，也已經(jīng)在納米功能材料和納米電子領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景，引起物理、化學(xué)及材料等學(xué)科界的極大興趣。但由于碳納米管及異質(zhì)結(jié)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，限于目前實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件的不足，碳納米管以及碳納米管異質(zhì)結(jié)的合成控制和性質(zhì)研究仍存在許多未知問(wèn)題。而理論研

2、究，可以在原子水平上直觀有效地模擬碳納米管的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和形成過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，并為相關(guān)的機(jī)理研究提供研究手段和理論依據(jù)。
　　 本論文應(yīng)用Dmol3、Gaussian03程序包中的密度泛函理論，以及緊束縛勢(shì)能函數(shù)以及Brenner勢(shì)能函數(shù)對(duì)碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程、碳納米管異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括：
　　 1.綜述了碳納米管的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生長(zhǎng)機(jī)理，異型碳納米管的合成方法，結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的關(guān)系，電學(xué)、力學(xué)、

3、熱學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)的分子模擬方法在異型碳納米管研究中的應(yīng)用進(jìn)展，并簡(jiǎn)要介紹了其在電子器件，儲(chǔ)氫材料以及其它功能復(fù)合材料方面的應(yīng)用。最后，討論了目前研究中存在的問(wèn)題并展望了該領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢(shì)。
　　 2.構(gòu)建了具有不同缺陷排列的X，T和Y型碳納米管異質(zhì)結(jié)，采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)能函數(shù)，討論了最為穩(wěn)定的缺陷排列方式并得出了異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定性同管徑大小的關(guān)系。結(jié)果表明，碳納米管分支的直徑、螺旋型和缺陷排列都是影響異型碳納米管穩(wěn)定型的重要因素，最穩(wěn)

4、定的Y，T和X型碳納米管分別包括6，6和12個(gè)七元環(huán)。鋸齒型異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性高于扶手椅型，異質(zhì)結(jié)原子的平均能量和管徑存在一定的函數(shù)關(guān)系。
　　 3.采用密度泛函理論B3LYP方法結(jié)合6-31G(d)基組，優(yōu)化了兩組彎曲型和直型碳納米管異質(zhì)結(jié)(3，3)-(6，0)和(4，4)-(8，0)，并在此基礎(chǔ)上比較了這兩種典型異質(zhì)結(jié)的幾何特性、穩(wěn)定性、電荷分布及電子結(jié)構(gòu)的不同。結(jié)果表明，彎曲型異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性要高于直型異質(zhì)結(jié)，而且彎曲型和直型異

5、質(zhì)結(jié)的前線軌道具有明顯不同的分布，HOMO和LUMO軌道能級(jí)差也具有很大的不同。為得到反鐵磁性的自旋極化基態(tài)，同時(shí)采用自旋非限制性方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明直型(4，4)-(8，0)存在反鐵磁性的自旋極化基態(tài)，自旋極化發(fā)生在鋸齒型分支和缺陷環(huán)，并引起了電子結(jié)構(gòu)的極大變化。另外，采用密度泛函理論GGA近似方法結(jié)合PW91函數(shù)，基于周期性邊界條件的能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果表明彎曲型異質(zhì)結(jié)的能帶寬大于直型異質(zhì)結(jié)的能帶寬，說(shuō)明直型異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電性有強(qiáng)于彎曲

6、型異質(zhì)結(jié)的趨勢(shì)。
　　 4.運(yùn)用密度泛函理論的GGA/PW91方法對(duì)有限長(zhǎng)Y型碳納米管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于缺陷環(huán)的影響，Y型碳納米管具有與直型管明顯不同的性質(zhì)。而且，Y型碳納米管結(jié)構(gòu)和性質(zhì)同分支管長(zhǎng)度有一定的關(guān)系。當(dāng)分支管長(zhǎng)度大于10A時(shí)，Y型碳納米管的結(jié)構(gòu)，能隙和電學(xué)性質(zhì)均出現(xiàn)了周期性振蕩變化的趨勢(shì)。
　　 5.采用密度泛函理論研究了金屬催化劑顆粒存在下的碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中吸附于管壁的碳原子如何遷移到

7、碳納米管靠近金屬顆粒表面的底部，轉(zhuǎn)化為碳納米管完整格點(diǎn)的過(guò)程。所有的吸附原子均能同已經(jīng)生成的碳納米管壁結(jié)合成強(qiáng)的共價(jià)鍵，說(shuō)明碳納米管吸附原子的轉(zhuǎn)移是碳納米管生長(zhǎng)的重要因素。通過(guò)分析碳原子吸附在各個(gè)位點(diǎn)的能量，得到最為穩(wěn)定的吸附點(diǎn)在碳納米管和催化劑的連接處。由于催化劑的存在，吸附原子的遷移呈現(xiàn)高度的各向異性。盡管Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn都可以用作化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)碳納米管的催化劑，但是Co、Ni和Zn不僅使碳納米管生長(zhǎng)速率加