钛掺杂碳纳米管场发射性能第一性原理研究

《钛掺杂碳纳米管场发射性能第一性原理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

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棊于密度泛函理论的第一性原理，研宂丫质，《>型封闭碳纳米管帽端掺杂钦原子对其场发射性能的影响。结果表明：钦原子掺杂C/T体系的几何结构更加稳定I施加电场后，掺杂err的态密度在费米能级处明显增加，赝能隙显著减小、电子的活跃度明显提高■钦原子掺杂不仅引起了C/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C/T帽端聚集。说明钛原子掺杂可以显著提高C/T的场发射性能。关键词：碳纳米管■钛掺杂■场发射■第一

2、性原理■安立宝zen-rs-n基金：国家自然科学基金项目«14W34.8in2Mi2>riM^?Im梚l?CB.feAbstract：<8,JfeAdWqO-戏》wrfe*fffa.rl.BM^1IrHm*?Mrfssrf^I"*!CTETk?梖a*1g4fc<

3、为真空电子器件提供电子源_11。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《n＞于mi年由日本科学家，ib*巫发现。c/t独犄的几何结构，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、CfT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，C/T在场发射显示器的电子发射器、x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_^1。与此同时，研究人员也在不断尝试各种方法进一步提高C/T的场发射性能，如在不锈钢基质上生长C

4、fT和采用化学气和法在镀镍的铜基质上生长C/T两种生长方法均提高了err场发射电流的稳定咩rmo在c/T表面直接吸附或修饰纳米粒子，可以提高场发射电流密度。等_!?!_在C^t表面吸附铟纳米粒子得到的场发射元件，电流密度较本征提高丫2?*L■^等UfL把氧修饰在C^T管壁，所制备试验样品的电流密度达IlkWi是本征CfT的fc倍。将金属氧化物修饰在CfT表面可以降低场发射的开启场强。9^^等U1的研究证明了被氧化锌修饰的以丁可以在■lfui的场强下实现场发射。随着密度泛函理论嚳TT＞的发展，在物理、化学等领

5、域，第一性原理的计算己性能，数据显示掺杂后的CfT仍然保持金属特性，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I模拟计算C/T掺硼后电子结构的变化、结果表明、C/T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CfT场发射性能时，常选取氮、硼和硅作为掺杂原子UC而将金属元素进行掺杂的模拟研究并不多。钛元素木身具有低的功函数可以与C/T很好地吸附1^1。JL*等_LM研究证明了把钛纳米粒子喷涂在CTT表面可以降低其冇效功函数，在施加电

6、场为LWWu■时，场发射电流达到》■i；J?。棊于以上发现，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，利用第一性原理研宄钛原子对掺杂后CfT体系的儿何结构、态密度、赝能隙、能隙、有效功函数以及电荷分布等的影响、进而研宄钦原子掺杂对CfT场发射性能的影响。经成为有力的科研工具。S■一等■利用第一性原理研宄氮掺杂CfT的场发射I模型和计算方法本文选取最常见的端部封闭型C/T进行场发射性能研宂。C/T封门端帽为半球，另一端用氢原子饱和以消除悬挂键对C/T电子态的影响iC/T分层如图I所示、掺杂i原子取代

7、位罝选在端帽第一层、为C五环中的任何一个C原子。掺杂1L后并经过结构优化的C/T模型记作fil/C/T。上述建立的模型如图2所示。图■C/T分层图IX，.原图图2CfT管模型1^、.2CiTiel^s下载原图利用以ITT为ids程序包进行计算1«。通过广义p度近似《Cik＞进行体系能量计算，其中交换相关函数选择ME-^1■W-W。原子轨道计算釆用双值扩展基矢，截止半b为14玥。几何优化的过程是一个自洽过程、当输出的电子密度函数与前一次计算结果的差值小于一定收敛精度时，就认为得到自洽结果M。本文屮模型能量差收

8、敛标准为L玿N-^1112^1212*¥＞。其他几何优化的收敛标准如下I模型最大收敛标准为??H*/u，原子间最大位移收敛标准为》XHm。施加电场时采用匀强电场、大小为鼸沿C/T管壁轴向施加、由C/T帽端指向开口端。C/T几何结构受匀强电场的影响很小，可忽略不计12国。a几何结构的稳定性i掺杂C/T结构的稳定性，可通过计算体系的结合能来判断。结合能是指原子由自由状态形成化合物所释放的能量。结合能的计算公式为B2I