keV-MeV离子束与碳纳米管相互作用的理论研究

碳纳米管优异的结构特点和电学特性，促使人们一直试图采用碳纳米管控制和输运带电粒子束，实现纳米量级的粒子束技术、离子注入技术和场发射技术。本项目将首次建立与碳纳米管具体几何结构和能带特点有关的载能离子束与碳纳米管相互作用的理论模型：所研究的离子能量在keV～MeV之间；根据碳纳米管的具体半径、长度和螺旋手征角等几何特点，采用半经典的动力学模型和随机相位近似介电响应模型相结合的方法，同时涵盖碳纳米管管壁电子的集体激发和单电子激发作用，研究管壁电子的动力学极化效应对离子输运过程的影响；借助于变分原理和Brandt-Kitagawa有效电荷态模型，确定动力学极化效应对离子电荷态的影响；利用分子动力学方法模拟离子与碳原子之间的二体碰撞过程。力求通过理论计算模拟带电粒子在单壁、多壁碳纳米管中的相互作用过程，为碳纳米管粒子束技术的研究与实现提供理论依据。

纳米材料具有独特的电子、结构、力学、光学特性，直接涉及到电子、计算机、通讯、材料、生物医药、能源、环境等领域，是二十一世纪重要发展技术。特别是，碳纳米管优异的结构特点和电学特性，促使人们一直试图采用碳纳米管控制和输运带电粒子束，实现纳米量级的粒子束技术、离子注入技术和场发射技术。本项目首次建立与碳纳米管具体几何结构和能带特点有关的载能离子束与碳纳米管相互作用的理论模型：所研究的离子能量在keV～MeV 之间；根据碳纳米管的具体半径、长度和螺旋手征角等几何特点，采用半经典的动力学模型和随机相位近似介电响应模型相结合的方法，研究单、双壁碳纳米管管壁电子的动力学极化效应对离子输运过程的影响；并利用分子动力学方法模拟离子与碳原子之间的相互作用过程。研究结果表明，由于涉及到每次碰撞时碳原子的具体排列情况，带电粒子在碳纳米管中的沟道过程变得复杂;在分子动力学模型中采用REBO势，沿径向呈现先吸引后排斥作用，沟道轨迹更接近于管壁，管壁对入射粒子的束缚作用变弱；沟道过程与带电粒子入射位置、速度和角度密切相关。以上这些结论在国际相关报道中还没有看到，将为碳纳米管粒子束技术的研究与实现提供重要的理论依据。另外，根据近几年纳米技术迅速发展的需要，我们还相继开展了带电粒子与纳米颗粒、纳米线、二维量子电子气相互作用的理论研究。考虑到纳米尺度的量子效应影响，采用非线性量子流体动力学模型自洽求解和计算，与经典流体力学模型计算结果相比，我们发现，当离子速度大于几个玻尔速度的时候，非线性效应将有效增加尾流电势和阻止本领，量子效应对计算结果也都有重要影响。这些工作也为我们下一步将要开展的带电粒子与碳纳米管等微纳材料相互作用的非线性效应研究打下了基础。