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双壁硅纳米管电子结构与光学性质的研究

发布时间:2021-04-29 16:57所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:本文中使用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,构建了手性指数(n,m)为(6,6),(10,10)硅纳米管管以及二者嵌套的双壁管结构并计算其能带结构、电子态密度以及光学反射谱与吸收谱.计算结果表明(6,6),(10,10)管表现出明显的半导体性,是直接带

  摘要:本文中使用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,构建了手性指数(n,m)为(6,6),(10,10)硅纳米管管以及二者嵌套的双壁管结构并计算其能带结构、电子态密度以及光学反射谱与吸收谱.计算结果表明(6,6),(10,10)管表现出明显的半导体性,是直接带隙半导体.而双壁管相比于单臂本征硅纳米管其导带底与价带顶接触几乎发生交叠,表现出了轻微的金属性,其管内电子非局域性增强,导电能力提高.手性系数为(6,6)的硅纳米管对红外光、可见光以及紫外光都具有吸收能力.(10,10)管对于紫外光的吸收能力更加优秀但是对红外光的吸收能力减弱.(6,6)&(10,10)双壁管无论是吸收谱还是反射谱都最窄并出现了单峰.故可推测双壁管可作为检测一类特定范围波长的探测器的材料.

  关键词:纳米材料;双壁硅纳米管;导电性;光学性质

光学论文

  1引言

  1991年伊始,日本电镜专家Lijima博士[1]在高分辨电镜下发现了碳纳米管的存在,故世界各地的研究人员对一维纳米材料展现出了很大的研究兴趣.而其中之一的硅纳米管潜在的优异的力学、电 子结构、光学等性质赋予了它广泛的运用前景,被预测为是下一代纳米电子器件的重要组成材料.硅相比于处于同一族元素碳,两者s轨道和p轨道上的电子能级差分别为ΔE=E3p-E3s=5.66eV,ΔE=E2p-E2s=10.60eV[2,3].

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  故激化硅p轨道上的电子相比碳容易,可一次激发三个电子.并且硅原子由于原子半径相较于碳较大导致原子间距较大,故硅的Π键结合能力远小于碳,综上Si不像C那样可以形成稳定的sp,sp2杂化轨道,其最外层价电子趋近于sp3杂化,所以无法形成较为稳定的石墨烯单层结构.但是计算证明只要给予了足够的能量,硅同样可以形成单层的石墨烯结构并相对于碳层由于其成管能量更低所以更容易卷曲成管.

  Zhang证明了扶手椅型硅纳米管更容易形成[4].正因如此很多人质疑硅纳米管是否存在,而Jeong等学者在2002年成功以金为催化剂,纳米沟道氧化铝为模版通过气相沉积硅原子制得了合成硅纳米管,至此制备纳米管的方法层出不穷[5-7].而且,硅作为现代电子工业主要的半导体原料,且目前硅工业制备工艺相对成熟,硅纳米材料容易与其兼容,因此硅纳米管在新功能材料领域中具有更广泛的应用前景.

  长期以来关于硅纳米管的研究大部分集中在掺杂对其电子结构或光学性质的影响以及一些关于单壁纯硅纳米管的性能研究.Tang等[8]分析总结了归纳米管的理论研究与实验制备方法.Li等对硅纳米管的稳定性进行了理论研究.Zhang,Yu等人研究了掺杂Al原子后的扶手型硅纳米的电子结构以及光电性能.Luo等研究了手性系数为(5,0)和(5,5)的硅纳米管的电子结构,Liu,Zhou研究了不同手性的扶手型纳米管以及锯齿性的电子结构以及光学性质[9-14].都证明了手性系数可以显著影响硅纳米管的导电能力.但是鲜有人去研究多壁纳米管的电子性能.目前只有Liu研究探讨了三壁硅纳米管的电子性能[15].

  当手性n≥6时,单壁扶手型硅纳米管具有稳定的结构.故本文采用密度泛函理论的第一原理性方法,通过设置双层硅纳米管的手性n,m的大小,内管为(6,6)管,外管为(10,10)管,模拟计算其能带结构、电子态密度的变化以及光学性质并将结果与单层硅纳米管的相关性能进行对比.

  2计算模拟

  2.1结构模型

  Fagan通过计算sp2杂化型硅纳米管得其带隙由纳米管的类型决定[16].当n=m>0时,称为扶手型纳米管,n>m=0,称为锯齿形型纳米管,而n>m>0时,称为手性纳米管. α珗1与α珗2为手性指数n,m的向量方向的单位向量,通过矢量加法OA→=nα珗+mα珗2得到OA→为该纳米管的卷曲方向,垂直于OA→的OB→为平移矢量,螺旋角θ为OA→与α珗1所成夹角,并用式1计算θ的大小.扶手型纳米管的θ大小为30°,锯齿型纳米管的θ为0°.

  2.2计算方法

  采用materialsstudio软件进行建模计算,构建了手性系数(m,n)为(6,6),(10,10)的扶手性纳米管以及两管嵌合的双壁纳米管,分别计算其电子结构与光学性质.计通过密度泛函理论(DFT)[19]框架下的广义梯度近似法(GGA)中的PBE泛函处理模型[20]的电子之间的交换关联能.

  建立碳纳米管并将其原子替换为硅并利用BFGS优化算法对该结构经行结构优化,采用基于平面波与赝势的方法进行了计算分析.设置参数如下,能量收敛精度为7.5×10-5eV/atom,布里渊区网格设置为1×1×4,采用比较容易产生k点网络的Monkhost-Pack方案[21]自动产生的不可约k点作自洽计算.平面波截断能量设置为150eV.

  3结果分析

  3.1能带分析

  证明设置的参数足够精确;同时本计算中(10,10)管的带隙为0.325eV,这也符合了许多理论仿真中手性越大硅纳米管的带隙越窄的规律.这是因为手性大的纳米管直径较大从而管壁结构越来越趋近与平面石墨烯结构,所以金属性增强;(10,10)管,(6,6)管,两管嵌套之后的双层管的导带底与价带顶几乎接触,且价带顶部费米能级附近以及导带底附近出现多个新的能级且这些能级都向低能区移动,出现最小禁带宽度变窄,导电性增强的现象.所以手性指数为(6,6)&(10,10)的双壁管与单壁管不同表现出了相对较强的金属性而并非半导体.这表示两种具有半导体性质的单壁管在结合之后导电性发生了改变.同时该双壁硅纳米管的价带顶附近曲线更加尖锐,说明双管结构的电子有效质量较小,电子非局域性增强.

  4结论

  本文基于密度泛函理论,采用广义梯度的方法结合第一性原理对单层(6,6),(10,10)扶手型硅纳米管以及二者嵌套的双壁扶手型硅纳米管的电子结构与光学性质进行了研究.结果表明:通过对比三者能带图的观察,发现当手性指数为(6,6)和(10,10)时硅纳米管出现明显的带隙,(10,10)带隙较小,两管为直接带隙半导体,当两管结合时其能带价带顶与导带底发生接触但是未明显交叠,呈现出金属性;而且通过对态密度图的分析,可以推测由于直径的增加,(10,10)管以及双壁管中的sp3杂化趋近于生成石墨烯结构的sp2杂化并且双壁纳米管结构大大减弱了管内电子的局域性,导电能力相对于单管增强.对于光学性质来说,(6,6)硅纳米管对红外光、可见光以及紫外光都展现出了良好的吸收能力.(10,10)管对于紫外光的吸收能力更加优秀但是对红外光的吸收能力减弱.(6,6)&(10,10)双壁管无论是吸收谱还是反射谱都最窄并出现了单峰.可推测双壁管可作为检测一类特定范围波长的探测器的材料.

  参考文献:

  [1]IijimaS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[J].Nature,1991,354:56.

  [2]LiXX,TangYH,PeiLZ.Theoreticalresearchonstabilityandcapabilityofsiliconnanotubes[J].J.SyntheticCrystals,2006,35:884(inChinese)[李小祥,唐元洪,裴立宅.硅纳米管的稳定性及性能的理论研究[J].人工晶体学报,2006,35:884]

  [3]HuJ,OuyangM,YangP,etal.Controlledgrowthandelectricalpropertiesofheterojunctionsofcarbonnanotubesandsiliconnanowires[J].Nature,1999,399:48.

  [4]ZhangRQ,LeeST,LawCK,etal.Siliconnanotubes:Whynot?[J].Chem.Phys.Lett.,2002,364:251.

  [5]KanekoT,OhmiT,OhyaN,etal.Acompactandquick-responsedynamicfocusinglens[J].SensorsandActuatorsA:Phys.,1998,70:92.

  [6]LeeS,JeongYC,ParkJK.Facilefabricationofclose-packedmicrolensarraysusingphotoinducedsurfacereliefstructuresastemplates[J].OpticsExpress,2007,15:14550.

  作者:汪鑫海,罗祥燕,谢泉

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