钛掺杂碳纳米管场发射性能第一性原理研究

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1、钛掺杂碳纳米管场发射性能第一性原理研究卢子龙安立宝刘扬华北理工大学机械工程学院摘要:基于密度泛函理论的第一性原理-研究了0I）型封闭碳纳米管紛F帽端掺杂钛原子对其场发射性能的影响。结果表明8钛原子掺杂C/T体系的几何结构更加稳定■施加电场后.掺杂WT的态密度在费米能级处明显增加.贋能隙显著减小.电子的活跃度明显提高■钛原子掺杂不仅引起了"T最低未占有轨道与最高占有轨道的能量差值和有效功函数的减小.而且使电子向掺杂"T帽端聚集。说明钛原子掺杂可以显著提高WT的场发射性能。关键词：碳纳米管■钛掺杂■场发射■第一性原理■作者简介：安立宝nd«3is>收稿日

2、期：zen-rj-N基金：国家自然科学基金项目«14W34.Sin2H2>沧"Imi『•中—bl—!却士皿。*—Abstract：•Jklr^fe-.■■l^srisi.sM,且.m^・?••Zd^lrM■m.JfcAIrio»4eIH•!Afsd^w<^*»«m«4b•-'mie^hriB^X^Is4biHlb»s"IIrHess尊.•irissrie"]1用叨•■尊.CTE*les

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6、MedUSs.]xw^sm尊■些屮■耳Xrie"«■■•C/工"I■••^•4bbvI・sM,“WriefelCiT：Keyword：2<■比l>s・iUmM：2«n-r>N场发射是指对I占I体材料施加电场时•材料表面势垒高度降低.势垒长度变薄.电子遂穿材料表面势金发射到真空的过稈。应用场发射特性可以为真空电子器件

7、提供电子源墮。理想的场发射元件可以在低的外加电场下长期稳定地发射高密度电流。碳纳米管組P于"H年由日本科学家列■』发现。WT独特的几何结构.如管径细小.长径比巨大.可以极大地提高其自身场发射增强因子■同时.WT传输电流的能力较强.可以在较低的开启场强下实现场发射。因此.CZT在场发射显示器的电子发射器、*射线管、扫描电子显微镜、阴极射线示波器等电子元件和设备的制造屮具有潜在的应用价值士L。与此同时.研究人员也在不断尝试各种方法进一步提高"T的场发射性能.如在不锈钢基质上生长“T和采用化学气相法在镀镰的铜基质上生长d两种生长方法均提高了C/T场发射电流

8、的稳定性等II■的研究证明了被氧化锌修饰的C/T可以在CZT表面育接吸附或修饰纳米粒子.可以提高场发射电流密度。等J?L在"T表面吸附钢纳米粒子得到的场发射元件.电流密度较本提高了2SZH.■心11昱把氧修饰在“T管壁.所制备试验样品的电流密度达IIUMI几・创.是本征WT的•倍。将金屈氧化物修饰在WT表面可以降低场发射的开启场强。■在IWx的场强下实现场发射。随着密度泛函理论•「!＞的发展°在物理、化学等领域°第一性原理的计算已性能.数据显示掺杂后的"T仍然保持金展特性.态密度在费米能级处有所提高.表明掺杂C/T的活跃度得到提升等世模拟计算C/T掺

9、硼后电子结构的变化.结果表明.CZT帽端能隙减小.使电子发射更加容易。氮、硼与碳原子半径相近°硅与碳化学性能相似°利用第一性原理模拟研究掺杂err场发射性能时.常选取氮、硼和硅作为掺杂原子1141.而将金属元素进行掺杂的模拟研究经成为有力的科研工具。8■“等I利用第一性原理研究氮掺杂"T的场发射并不多。钛元素木身具有低的功函数可以与CZT很好地吸附連。2.•等研究证明了把钛纳米粒子喷涂在WT表面可以降低其有效功函数，在施加电场为LNVm时-场发射电流达到:■站基于以上发现.本文选取钛原子取代«型碳纳米管封闭端顶部的一个碳原子.利用第一性原理研究钛原子

10、对掺杂后"T体系的儿何结构、态密度、歴能隙、能隙、有效功函数以及电荷分布等的影响.进而研究钛原子掺杂对C/T场发射性能的影响。I模型和计算方法本文选取最常见的端部封闭0»型“T进行场发射性能研究。3T封口端帽为4半球.另一端用氢原子饱和以消除悬挂键对“T电子态的影响lUiCTT分层如图I所示.掺杂*原子取代位置选在端帽第一层.为•五环中的任何一个c原子。掺杂■后并经过结构优化的c/t模型记作fii/crr上述建立的模型如图2所示。图I“T分层图I他■"丫切・下载原图图2豺丁管模型"^・2C/T.-4下载原图利用以BTT为基础的1145程序包进行计算丄

11、F1。通过广义锲度近似紈心进行体系能量计算.其中交换相关函数选择PK"Igheal—l»-Rlo原子轨道计算