第一性原理

摘要

碳纳米管是近年来材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。由于其具有介观尺度及奇异的物理化学性能而被认为极具理论研究价值；从实际应用的角度来看,碳纳米管直接与纳米技术相关联,也倍受人们关注。通过如 STM、Raman,吸收谱等实验,人们已经初步了解了碳纳米管的众多奇特结构和性能。为了能更进一步弄清碳纳米管的结构和物理特性,理论模拟就显得非常必要。基于密度泛函的第一性原理,本文研究了钙掺杂对碳纳米管吸附二氧化碳性能的影响。

关键词：密度泛函理论,第一性原理,碳纳米管, 电子结构

引言

一、 计算物理学简介

计算物理学是利用电子计算机进行数据采集、数值计算和数字仿真来发现和研究物理现象与物理规律的一门现代交叉学科。

计算物理学中的一个重要的研究领域是凝聚态体系的电子结构。由于物质所表现出的许多宏观物理特性,比如超导电性、半导体发光特性、过渡金属的磁性等都和体系的微观电子结构密切相关,并主要由电子的行为所决定,因此研究物质的电子结构是求解相互作用的多电子体系问题。其实质是一个多体问题的研究。对于这样一个复杂多体问题的研究,密度泛函理论(DFT)为人们提供了一个较为有效的解决办法。

以密度泛函理论(DFT)为基础以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理电子结构计算方法,与传统的解析方法一样,不但能够给出描述体系微观电子特性的物理量如波函数、态密度、费米面、电子间互作用势等,以及在此基础上所得到的体现体系宏观物理特性的参量如结合能、电离能、比热、电导、光电子谱、穆斯堡尔谱等等,而且它还可以帮助人们预言许多新的物理现象和物理规律。密度泛函计算的一些结果能够与实验直接进行比较,一些应用程序的发展乃至商业软件的发布,导致了基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。

通过计算,人们可以分析某种结构模型对应的物理现象,可以预言有关材料的结构和稳定性等,可以人为设计具有人们希望的物理性能的结构材料。

二、论文工作的内容和意义

目前碳纳米管及其管束的物理性能和应用研究已成为人们关心的热点问题,特别是随着微电子器件的高度集成化和微尺度化的发展趋势,开发以碳纳米管为基础的纳米电子器件将成为本世纪的焦点内容。

在理论上,X. Blase等人指出由于在费米面附近σ*-π*轨道间的杂化效应,使得在小管径的电子带结构有别于传统的从石墨片折叠模型得到的电子带结构。这种杂化效应将改变最低导带的能量和特征从而对电子结构产生影响,甚至在半导体的管中出现金属的能带特征。第一原理计算表明,对应 0.4 nm 直径碳纳米管的(5，0)、(3, 3)、(4, 2)三种碳纳米管中,(5，0)和(3, 3)的能带显示它们表现为金属性,而(4, 2)是具有 0.2eV 带隙的间接半导体。从传统的石墨片折叠理论来讲,锯齿型管(5，0)应该是半导体的,但由于小管径的碳纳米管中σ*-π*轨道间的杂化,使得(5，0)的电子结构发生了变化,而呈现金属性。

另外,硼和氮掺杂的碳纳米管被成功制备。用紧束缚方法和第一原理计算表明,这种硼和氮掺杂的碳纳米管是 p 型和 n型碳纳米管。碳纳米管已被证明在常温下是一种新型的化学传感器,能够以较高的灵敏度检测到含量甚微的气体分子。但是碳纳米管对许多类型气体不是很敏感,如氢气和一氧化碳,通过硼和氮掺