碳纳米管高温热稳定性与结构的关系VIP免费

第17卷第1期2002年2胃液晶与显示ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplaysV0L】7，NO．IFeb．，2002文章编号：1007—278O(20O2)Ol一0049-06碳纳米管高温热稳定性与结构的关系姚振华，朱长纯，程敏，刘君华(西安交通大学电子科学与技术系，陕西西安710049E—mail：yaoahenh,aa@263．net)摘要：使用分子动力学方法对单壁碳纳米臂高温下的结构进行了计算机模拟。对扶手椅结构(10，10)和(20，20)的单壁碳纳米臂进行了模拟，结果表明，碳纳米臂开头端由于能量弛壤过程，直径比内部略大，在温度逐渐升高之后．构成纳米臂的碳原子逐渐偏离晶格位置，小直径的碳纳米臂在3000K温度之下锗构是稳定的；直径小的碳纳米臂的高温热稳定性比直径大的碳纳米臂要好关键词：碳纳米臂；分子动力学；热稳定性中圈分类号：TN873．95；TN151．1文献标识码：A1引言1991年，日本的S．1ijima发现了碳纳米管]，由于碳纳米管具有许多优异而独特的光学、电学和机械性质，因此成为国际上研究的前沿课题。最近的研究表明，碳纳米管在场致发射、电子开关、高温超导材料等许多方面具有广泛的应用前景，包括纳米级的导线、纳米电子器件、高强度复合材料等。对碳纳米管的许多性质现有的理论尚未给出圆满的解释。我们采用分子力学(Molecularmechanics)和分子动力学(Moleculardynamics)模拟对碳纳米管进行了计算机模拟，以期给出碳纳米管性质的一些定量的解释。近些年，国际上有不少研究者使用分子动力学理论对碳纳米管的生长机理、机械性质和其他物理性质进行了广泛的研究。c．F．Cornwell和L_T．wi11e使用TersofbBrenner势函数研究了端头开放的单壁碳纳米管的生长机理[2]。M．Menon等^使用紧束缚(Tight—BindingMolecularDynamics)分子动力学方法对过渡族金属催化剂，如Ni、Co或Fe等在碳纳米管生长中的作用进行了研究口]。E，Herndndez和P．Ordej6n-．使用紧束缚分子动力学方法对硼在碳纳米管生长过程中的作用进行了研究。2力场模型采用分子动力学方法进行计算机模拟，其结果是否准确的关键在于原子问相互作用势函数的选取。与分子生物学中应用的分子动力学模拟系统不同，共价键是构成碳纳米收稿日期：200108_22I修订日期：2001—10—12基金项目：国家自然科学基盒与博士点基盒资助项目(60036016I5007016)维普资讯http://www.cqvip.com赦品与娃示第17卷管的各个原于之间的相互作用力．并决定了碳纳米管的主要结构性质。为了能够对碳纳米管进行准确的模拟，我们使用的力场模型是I)．w．Brenner提出的REBO(React{reEmpiricalBondOrder)势一来描述共价键相互作用，这种势函数描述了石墨、金刚石材料和碳氢分子等的共价键结构和性质另外，这种势函数正确地反映了共价键形成和破裂的过程，有利于观察碳纳米管的生长过程。REBO势函数的表示如下，化学键能可以表示为：E一∑∑[V()+()](1)rr>0式中，(r)表示两个原子之间的排斥力；v(r)表示两个原子之间的价键电子引起的吸引力；r表示相邻原子间的距离}6是键序，是从Ht~ckel电子结构理论中导出的不同碳纳米管的原子之间的分子间相互作用可以使用多种力场势函数：Lennard-Jones(6，12)势，其中参数从c。和石墨的实验数据中导出；Buckingham(exp+6)加上静电相互作用项，该参数从文献[9]中的二聚苯能量与结构中导出。本次模拟采用的分子间相互作用势函数是Lennard_Jones(6，12)势。我们对碳纳米管等进行了分子力学计算，检验了这些力场势函数的正确性。最小化能量和碳一碳价键长度采用文献[io]中报道的碳纳米管的值。3模拟过程使用的分子动力学模拟软件是我们自行开发的MDSIM系统。该系统由4个模块组成：前端数据生成(DataGen)、模拟演化(SimEvo1)、后端数据统计处理(DataStar)、数据查看(Inspect)。采用分子动力学研究碳纳米管的生长机理的计算机模拟过程可以分成4个阶段：系统中碳原子初始位置、速度的确定}平衡态演化；新原子加入，平衡态演化(本阶段为重复过程)f结果分析与计算。使用该系统对单壁碳纳米管(SinglewalledCarbonNanotube，SWCNT)纵向拉伸杨氏弹性模量的模拟结果表明，该系统能够初步地满足碳纳米管的模拟要求。我们对拓扑结构为扶手椅形式的SWCNT进行了能量最...