《拓撲缺陷和空位對納米碳管異質結性能影響的理論研究》是依託北京科技大學，由孟凡研擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：拓撲缺陷和空位對納米碳管異質結性能影響的理論研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：孟凡研
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著微電子產業的迅猛發展，基於特殊的電子性能和優異的力學和熱導性能及其納米尺度，納米碳管異質結被認為是製造納米電子器件的極具潛力的元件。拓撲缺陷作為異質結形成的結構元素，其類型、數量和分布會極大的影響異質結的力學、熱學和電學性能，從而決定著它們在納米器件中的套用。在高溫條件下空位的存在不可避免，並導致拓撲結構的重組。本項目以納米碳管異質結為研究對象，建立不同的異質結模型，並採用第一性原理、分子動力學和動態蒙特卡羅方法從多尺度、系統地模擬拓撲缺陷和空位對異質結力學、熱學和電學性能的影響及機制；並進一步探討異質結在高溫形變的過程中，拓撲缺陷擴散和重構的行為過程，以及在此過程與空位的相互作用機制，從而對揭示納米碳管高溫超塑性的機制具有重要的指導意義。
結題摘要
基於納米碳管優異的力學和熱學性能，以及其細微結構，它無疑是製備納米電子器件的理想材料，從而引起國內外物理、化學和材料界的廣大興趣。根據直徑和螺旋性的不同，以及各類缺陷的引入，使碳管的電學、熱學、化學和力學性能有明顯的改變。因此碳管中缺陷的行為和缺陷對碳管性能影響的研究對碳管的套用具有重要意義。碳管中的缺陷種類繁多，主要分為拓撲缺陷、空位、吸附雜質和摻雜，其中拓撲缺陷主要包含五七缺陷和Stone-Wales缺陷。在單個或多個碳管中引入拓撲缺陷，可以形成各種分子內異質結和多端異質結，這些異質結可套用於製備二極體、光發射器、雷射器件、場發射電晶體、整流器等納米電子器件。這種異質結的製備、性能及其套用的研究已經成為國外的研究熱點，但國內對這一方面的研究還較少，並且這些異質結的力學和熱學性能的研究以及缺陷種類和分布對其影響的研究還不是很成熟。因此，基於以上研究背景，本項目的主要研究方向是拓撲缺陷和空位對碳管以及碳管異質結力學和熱學性能影響的理論研究，並得到以下重要的研究結果： 1. 採用非平衡分子動力學方法，討論缺陷對納米碳管熱導性能的影響。理想納米碳管的熱導率受碳管的直徑和長度的影響非常大，而螺旋性對熱導的影響較小。碳管長度月長，直徑越小，其熱導率越高；相同的尺度的碳管，扶手椅型的熱導率略高於鋸齒型碳管。與理想納米碳管相比，異質結中的拓撲缺陷大大降低了異質結的熱導率，熱導率的降低取決於拓撲缺陷的數量和分布的面積。haeckeite碳管是由周期排列的五七多邊形組成，與理想碳管相比，熱導率急劇下降，原因有待繼續研究。 2. 納米碳管X型異質結力學性能的分子動力學研究。採用分子動力學方法模擬了五種超細碳管三維X型異質結在單軸和雙軸拉伸時的形變過程，觀察到三種形變模式。含有異質結的納米碳管其楊氏模量、抗拉強度和屈服強度隨溫度升高而降低，含有四個九邊形的異質結碳管的力學性能接近理想碳管的性能，其他三種異質結碳管由於七變形數量較多，且分布面積大，異質結中拉應力較大，故而大大降低了碳管的力學性能。 3. 納米碳管拉伸過程的分子動力學研究。由於納米碳管中產生拓撲缺陷的激活能很高，大約9 eV，所以通過低溫快速拉伸可以實現30%的彈性形變。但是一旦快速加熱，碳管中積聚的高的彈性應變能快速均勻釋放出來，類似金屬中的再結晶過程，從而形成含有拓撲缺陷濃度高、且分布均勻的納米碳管。拓撲缺陷活性
