拓扑缺陷和空位对纳米碳管异质结性能影响的理论研究

随着微电子产业的迅猛发展，基于特殊的电子性能和优异的力学和热导性能及其纳米尺度，纳米碳管异质结被认为是制造纳米电子器件的极具潜力的元件。拓扑缺陷作为异质结形成的结构元素，其类型、数量和分布会极大的影响异质结的力学、热学和电学性能，从而决定着它们在纳米器件中的应用。在高温条件下空位的存在不可避免，并导致拓扑结构的重组。本项目以纳米碳管异质结为研究对象，建立不同的异质结模型，并采用第一性原理、分子动力学和动态蒙特卡罗方法从多尺度、系统地模拟拓扑缺陷和空位对异质结力学、热学和电学性能的影响及机制；并进一步探讨异质结在高温形变的过程中，拓扑缺陷扩散和重构的行为过程，以及在此过程与空位的相互作用机制，从而对揭示纳米碳管高温超塑性的机制具有重要的指导意义。

基于纳米碳管优异的力学和热学性能，以及其细微结构，它无疑是制备纳米电子器件的理想材料，从而引起国内外物理、化学和材料界的广大兴趣。根据直径和螺旋性的不同，以及各类缺陷的引入，使碳管的电学、热学、化学和力学性能有明显的改变。因此碳管中缺陷的行为和缺陷对碳管性能影响的研究对碳管的应用具有重要意义。碳管中的缺陷种类繁多，主要分为拓扑缺陷、空位、吸附杂质和掺杂，其中拓扑缺陷主要包含五七缺陷和Stone-Wales缺陷。在单个或多个碳管中引入拓扑缺陷，可以形成各种分子内异质结和多端异质结，这些异质结可应用于制备二极管、光发射器、激光器件、场发射晶体管、整流器等纳米电子器件。这种异质结的制备、性能及其应用的研究已经成为国外的研究热点，但国内对这一方面的研究还较少，并且这些异质结的力学和热学性能的研究以及缺陷种类和分布对其影响的研究还不是很成熟。因此，基于以上研究背景，本项目的主要研究方向是拓扑缺陷和空位对碳管以及碳管异质结力学和热学性能影响的理论研究，并得到以下重要的研究结果：.1. 采用非平衡分子动力学方法，讨论缺陷对纳米碳管热导性能的影响。理想纳米碳管的热导率受碳管的直径和长度的影响非常大，而螺旋性对热导的影响较小。碳管长度月长，直径越小，其热导率越高；相同的尺度的碳管，扶手椅型的热导率略高于锯齿型碳管。与理想纳米碳管相比，异质结中的拓扑缺陷大大降低了异质结的热导率，热导率的降低取决于拓扑缺陷的数量和分布的面积。haeckeite碳管是由周期排列的五七多边形组成，与理想碳管相比，热导率急剧下降，原因有待继续研究。.2. 纳米碳管X型异质结力学性能的分子动力学研究。采用分子动力学方法模拟了五种超细碳管三维X型异质结在单轴和双轴拉伸时的形变过程，观察到三种形变模式。含有异质结的纳米碳管其杨氏模量、抗拉强度和屈服强度随温度升高而降低，含有四个九边形的异质结碳管的力学性能接近理想碳管的性能，其他三种异质结碳管由于七变形数量较多，且分布面积大，异质结中拉应力较大，故而大大降低了碳管的力学性能。.3. 纳米碳管拉伸过程的分子动力学研究。由于纳米碳管中产生拓扑缺陷的激活能很高，大约9 eV，所以通过低温快速拉伸可以实现30%的弹性形变。但是一旦快速加热，碳管中积聚的高的弹性应变能快速均匀释放出来，类似金属中的再结晶过程，从而形成含有拓扑缺陷浓度高、且分布均匀的纳米碳管。拓扑缺陷活性