光学仪器  2014, Vol. Issue (6): 542-545   PDF    
引用本文
刘兵, 杨凯, 汪岳峰. X型碳纳米管的可见光吸收特性研究[J]. 光学仪器 ,2014,(6)542-545.  
LIU Bing, YANG Kai, WANG Yuefeng. Study on visible light absorption character of X-typed carbon nanotube[J].Optical Instruments ,2014,(6)542-545.  
X型碳纳米管的可见光吸收特性研究
刘兵1, 杨凯2, 汪岳峰2     
1. 中国人民解放军驻二〇九所军事代表室, 四川 成都 610041;
2. 中国人民解放军军械工程学院 电子与光学工程系, 河北 石家庄 050003
收稿日期: 2014-01-23
作者简介：刘 兵(1968-),男,工程师,主要从事可见光吸收材料、激光、电视跟踪器研究和质量监督工作。E-mail:229817210@qq.com
摘要：为了探索X型碳纳米管的介电性质和可见光吸收性质,建立了手性矢量分别为(5,5)和(8,0)的碳纳米管交合的X型碳纳米管模型。采用基于密度泛函的平面波赝势法对其进行几何结构优化和光学性质探索,运用广义梯度近似理论超软赝势对交换相关能进行近似。计算结果表明被交合而成的碳纳米管的介电常数曲线和可见光吸收曲线的峰值大小和峰值位置均发生了变化,这是因为碳纳米管结构的变化导致碳原子间的能级发生改变,从而改变了光子跃迁能量和吸收光子的波长。
关键词： X型碳纳米管     密度泛函理论     介电常数     可见光吸收系数    
Study on visible light absorption character of X-typed carbon nanotube
LIU Bing1, YANG Kai2, WANG Yuefeng2    
1. Military Representative Office, Accredited in the 209 Institute of PLA, Chengdu 610041, China;
2. Department of Electronic and Optical Engineering, Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China
Abstract: An X-typed carbon nanotube is built by welding carbon nanotube (5, 5) and carbon nanotube (8, 0) in order to calculate dielectric constant and absorption. The geometric structure and optical properties of X-typed carbon nanotube are investigated by using the plane-wave pseudo-potential method, with the scheme of generalized gradient approximation revised Perdew-Burke-Emzerhof exchange-correlation potential and ultra-soft pseudo potential based on density function theory. Compared to the carbon nanotube (5, 5) and carbon nanotube (8, 0), the value and frequency of absorption peak and X-typed carbon nanotube is different, because distance between each atoms is changed and energy gap is changed which makes photons with different frequency absorption change.
Key words: X-typed carbon nanotube     density function theory     dielectric constant     absorption coefficient    
引 言

碳纳米管是一种质量轻、导电性能好、可见光吸收高的新兴材料,自1991年发现以来被广泛应用于电子元器件、太阳能电池等领域[1]。目前,碳纳米管的制备方式主要由电弧法[2]、激光蒸发法[3]、化学气相沉积法[4]等,这些制备方法的本质是将有机或无机化合物中的碳原子裂解再重新凝结,在制备过程中很难保证碳纳米管理化上的一维结构,碳原子的缺失、移位以及碳纳米管间的交错等缺陷形成了枝状、竹节状、瘤状、链状的碳纳米管现象非常普遍。这些带有缺陷的碳纳米管由于分子结构在局部发生了变化,会显现出一些特殊性质,对有缺陷碳纳米管的研究扩展了碳纳米管的应用领域。文献[5]指出,当五元环掺杂到六元环时会改变原始六元环的螺旋性,从而根本地改变碳纳米管的电子结构。文献[6]报道了用CVD(化学气相沉积法)制备出了六元环中镶嵌五元环的碳纳米管。上述介绍的是存在局域缺陷的碳纳米管,这些碳纳米管在结构上的局域性变形会影响其电子结构,但不是很明显。两种相同碳纳米管或不同碳纳米管交合的情况下,碳纳米管会出现很大的形状变化,同时会引起大的电子结构变化。近年来通过电子流焊接的方法成功地制备出了这种交合式碳纳米管[7, 8]。张春梅等运用微量水控制PECVD(等离子体化学气相沉积)的方法成功制备出了管径均匀的竹节型单臂碳纳米管[9]。目前通过电子显微镜已能观察到形状为“X”、“Y”、“T”的交合状碳纳米管[10, 11, 12]。本文主要就两种交错碳纳米管的可见光吸收特性展开研究,探索X型碳纳米管的可见光吸收机理。

1 计算原理

本文采用基于广义梯度近似的密度泛函理论[13]对“X”型碳纳米管的能隙和电子结构进行分析。密度泛函理论使得复杂的N电子波函数及其对应的薛定谔方程转化为简单的电子密度函数及其对应的计算体系,简化了复杂的量子计算。其基本形式为Kohn-Shame[14]方程

式中,V2为梯度算符,v(r)为势能,ρ(r′)为密度,εi为本征值,φi为波函数,vxc(ρ)为交换相关势密度,有效势Veff由电子密度决定,则

式(2)中电子密度为

式(3)中φi(r)是基于电子无相互作用的N电子体系的基态波函数。由式(1)和式(3)通过自洽场来求解,可以得到一个自洽收敛的电荷密度ρ0。体系的能量表达式为

本文使用的是广义梯度近似的密度泛函方法,在此近似下,交换相关能为

式(5)中,ρα(r)表示α方向密度,ρβ(r)表示β方向密度,GGA为梯度算子。

2 结构模型

碳纳米管(carbon nanotube,CNT)有三种：锯齿型CNT(8,0),如图 1(a)所示;扶椅型CNT(5,5),如图 1(b)所示;CNT(8,0)与CNT(5,5)十字交叉的CNT(X型),如图 1(c)所示。

本文采用的是基于广义梯度近似的第一性原理方法,对(5,5)(8,0)交叉的X型碳纳米管的介电常数和光的吸收系数进行了理论计算。其中交换关联泛函采用PBE泛函,碳原子用超软赝势处理,布里渊区K点取样为1×1×11,截断能为310.0 eV,每个原子的总能量自洽误差为1.0×10-6 eV,原子的最大位移为5×10－4 nm,最大应力为0.06 GPa,设置初始参量后对碳纳米管进行几何优化,直到达到收敛标准为止,得到的碳纳米管的晶格参量如表 1所示,其中,a、b、c为三轴,α、β、γ为晶格角度,d为直径。

图 1 碳纳米管的结构示意图

Fig. 1 Structures of CNT

表 1 碳纳米管的晶格参数 Tab. 1 Lattice parameters of CNT
3 计算结果与分析

密度泛函理论针对材料的光子跃迁式吸收比较精确,适用于对可见光的吸收机理。为了探索X型碳纳米管的可见光吸收特性,本文主要就频率1.6～3.3 eV的可见光波段的介电常数和吸收系数展开计算。图 2为可见光垂直于碳纳米管轴线入射时碳纳米管的介电常数曲线,其中实线表示CNT(5,5)的介电常数,虚线表示CNT(8,0)的介电常数,点线表示CNT(8,0)与CNT(5,5)交叉的X型碳纳米管的介电常数。CNT(5,5)的介电常数在1.3附近没有大的波动非常平稳。CNT(8,0)在频率1.6～2.6 eV区间,介电常数随着频率的增加减小,在频率为2.6 eV时介电常数最小只有0.3,频率在2.6～3.3 eV区间介电常数随着频率的增加而增加，在频率为3.3 eV时介电常数最大达到0.9。X型碳纳米管在频率1.6～2.0 eV区间介电常数随着频率的增加而增加,在频率为2.0 eV时介电常数最大达到2,频率在2.0～3.0 eV区间,介电常数随频率的增加而减小,在频率为3.0 eV时介电常数达到最小值0.75。一般来说X型碳纳米管在低频区的介电常数较大,在高频区的介电常数略小。而纯净的CNT(5,5)介电常数比较稳定,CNT(8,0)的介电常数比较低。

图 2 垂轴方向碳纳米管的介电常数 Fig. 2 Dielectric constant of CNT perpendicular to the axis

由图 3可看出CNT(5,5)与CNT(8,0)在低频区介电常数随着频率的增加而增加,最小值接近0,最大值接近3。CNT(8,0)的介电常数随着频率的增加而减小,最大值接近9,最小值接近1.5。

图 3 沿轴方向碳纳米管的介电常数 Fig. 3 Dielectric constant of CNT parallel to the axis

图 4为三种碳纳米管在垂轴方向的可见光吸收系数,CNT(5,5)的可见光吸收系数随着频率的增加而增加。CNT(8,0)的可见光吸收系数在频率为1.6～2.6 eV区域随着频率的增加而减小,在频率为2.6 eV时吸收系数达到最小值接近0。在频率为2.6～3.2 eV区域,可见光吸收系数随着频率的增加而增加,在频率为3.2 eV达到最大值18 000 cm-1。X型碳纳米管在频率为1.6～2.3 eV区域,可见光吸收系数随着频率增加而增加,在频率为2.3 eV达到最大值为25 000 cm-1。频率在2.3～3.0 eV区域,可见光吸收系数随着频率的增加减小,在频率为3 eV达到最小值为18 000 cm-1。总之,X型碳纳米管的可见光吸收系数在低频区比较高。CNT(5,5)从低频区到高频区吸收系数逐渐增加。CNT(8,0)在中间频段的吸收系数比较低。

图 4 碳纳米管在垂轴方向的可见光吸收系数 Fig. 4 Visible light absorption coefficient of CNT perpendicular to the axis

图 5为三种碳纳米管沿着轴线方向的可见光吸收系数,CNT(5,5)与X型碳纳米管的可见光吸收系数曲线相似,都是随着频率的增加而增加,最大值在3.3 eV处达到了45 000 cm-1。CNT(8,0)的可见光吸收系数大于CNT(5,5)与X型碳纳米管的可见光吸收系数,最小值在1.6 eV处达到了48 000 cm-1,最大值在3 eV处达到了85 000 cm-1。

图 5 碳纳米管在垂轴方向的可见光吸收系数 Fig. 5 Visible light absorption coefficient of CNT perpendicular to the axis
4 结 论

通过以上分析,可以看出由CNT(5,5)与CNT(8,0)交融的X型碳纳米管的可见光吸收性质不同于纯净的CNT(5,5)和CNT(8,0)。这主要是在碳纳米管交叉处分子间的距离和分子间的作用力发生了改变,这样就改变了跃迁能级间的能量,从而改变碳纳米管的吸收峰值位置和大小。因此,通过制备有缺陷碳纳米管的方法能实现对特定波段可见光的吸收。

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