填充富勒烯的碳纳米管及其弯曲性能的模拟研究

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自从碳纳米管于1991年被发现以来,其以完美结构、低密度、高强度和卓越的电学性能而备受关注。近些年来,随着实验技术的不断进步,很多不同种类的填充碳纳米管相继被制造出来。与空管相比较,填充碳纳米管具有更强的轴、径向强度和不同的光电学性质。同时,填充碳纳米管还提供了一种高效的存储系统。正因为有了这些优异的性能,使得填充碳纳米管有着更加广阔的应用前景,同时也得到了越来越多的重视。紧随目前的研究热点,本文采用分子动力学(MD)的方法,模拟研究填充C<,60>的碳纳米管在弯曲过程中的性质,我们研究的重点是C<,60>富勒烯与碳纳米管的相互作用对碳纳米管弯曲性能的影响。我们采用Brenner半经验势模拟C-C原子间的短程作用,采用Kennard-Jones(LJ)势模拟C<,60>-CNT和C<,60>之间的范德瓦耳斯(vdW)相互作用。以弹性力学中杆的弯曲模型为基础,设计出了在原子水平研究碳纳米管弯曲特性的计算模型。 通过我们的研究发现,满填充C<,60>的纳米管((C<,60>)<,12>@(10,10))和部分填充C<,60>的碳纳米管((C<,60>)<,10>@(10,10))的弯曲刚度分别较空管提升了18%和6.3%;其扭曲强度分别增强45%和11%。此外,与空管不同的是,填充管在弯曲过程中会出现一段过渡形态。在过渡形态中,在纳米管管壁内侧会出现波折现象,这是由于C<,60>富勒烯和纳米管管壁间的vdW相互作用。部分填充管波折的形态变化幅度比满填充管小很多,波折的持续时间也要短得多,主要是因为部分填充管内的C<,60>富勒烯在轴向有较大的移动空间。类似的波折现象也出现在多壁碳纳米管的弯曲过程中,不过此时它出现在碳纳米管的弹性范围以外,而填充碳纳米管则是出现在弹性范围内。 此外,我们还通过分子动力学(MD)和蒙特卡罗(MC)相结合的办法,模拟研究了碳(C)原子和C2分子在Si(001)表面的吸附和扩散现象。我们期望通过我们的研究,能够给实验上制备高质量的类金刚石薄膜提供一定的帮助。我们采用半经验Brenner势和Tersoff势模拟研究C-C,C-Si和Si-Si之间的相互作用。通过扫描势场的办法找出C和C2在Si(001)表面的主要吸附点和跳跃势垒。最后,我们采用表面扩散的MC方法模拟C和C2各自的扩散特征。模拟结果显示,C和C2都倾向于沿着Si晶体的周期性方向生长。单个C原子能够在Si表面扩散较长的距离,而C2分子则比较容易被限制在局部区域。因此,我们推测采用单个C原子作为入射材料比较容易得到均匀的类金刚石膜,而采用C2分子则更容易在Si表面形成岛状结构。该模拟结果与目前的实验定性吻合。
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