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电子器件小型化是当今电子科技发展的主要特征,它为纳米科技的发展提供了强劲驱动力。作为一种典型的准一维纳米功能材料,纳米管结构体系在力学、热学、电学、磁学和光学等方面表现出奇异的物理性能。这些奇异的物理性能预示着其在纳米电子器件领域具有广阔的应用前景。目前,纳米管结构体系的实验制备以及物性研究已得到了越来越广泛的关注。本文采用晶格动力学理论系统地研究了碳化硼纳米管、碳纳米线以及氧化碳纳米管等纳米管结构体系的声子特征与热学性质,揭示了这些准一维纳米材料的热学性质及其与几何结构的关联特征,并很好地解释了实验现象。
本论文包括以下五部分:
第一章简单介绍了纳米管结构体系的研究现状、应用前景,以及本论文将要探索的一些问题。
第二章扼要地介绍了计算声子谱的常用方法。
第三章计算了碳化硼纳米管、碳纳米线和氧化碳纳米管等体系的声子谱。计算表明,碳化硼纳米管具有和碳纳米管类似的4条声学支。对非手性的(n,n)和(n,0)碳化硼纳米管,其独立声子支的数目NBCNT可表示为NBCNT=48+24(n-1),是相同管型的非手性碳纳米管独立声子支数目的4倍。但是碳纳米线和氧化碳纳米管都只有3条声学支,其扭波模式在Γ点频率不再为零。同时,在碳纳米线和氧化碳纳米管中都有一些新的振动模式出现。
第四章主要研究了碳化硼纳米管、碳纳米线以及氧化碳纳米管等体系的拉曼活性模。在碳化硼纳米管的研究中,我们计算了一系列碳化硼纳米管的径向呼吸模和最低E2g模,并得到了其频率与管径变化的标度关系。在碳纳米线的的研究中,我们观察到了新的拉曼模式和Raman频移,提出了导致径向呼吸模硬化以及高频切向模软化的相互作用竞争的新机制。在氧化碳纳米管的研究中,我们发现氧化对纳米管的呼吸模和高频切向模都有很大影响,并且这种影响随纳米管的螺旋度、直径、氧分子的吸附位型、以及吸附浓度的不同而有很大的差异。
第五章详细研究了碳化硼纳米管、碳纳米线以及氧化碳纳米管的比热性质和特征。系统地研究了碳纳米管和碳化硼纳米管比热与管径的关系,得到了纳米管比热与其几何结构的内在联系。通过低温热容的分析,我们预言在碳化硼纳米管和碳纳米线中都可能观测到量子化的热传导现象。同时,我们发现碳纳米线和氧化纳米管都具有比碳纳米管更高的比热,这也预示着这些体系可能具有很高的热导率。
第六章是本工作的简单总结,并对将要开展的研究提出了一些思想和准备工作。