湘潭大学硕士学位论文碳纳米管和硼氮纳米管的光电性质姓名：唐娜斯申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：颜晓红;丁建文200505011碳纳米管和硼氮纳米管的光电性质碳纳米管和硼氮纳米管的光电性质 摘摘 要要 作为一种典型的准一维纳米功能材料，碳纳米管、硼氮纳米管 的制备、性能以及物理机理已得到越来越广泛的研究。研究表明， 它在力学、 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在众多领域具有广阔的应用前景，例 如：微电子器件、复合材料增强体、平板显示器、高效储氢、散热 装置等多种用途。 由于纳米管沿圆周方向的有限尺寸， 量子限域效 应使其态密度在费米面附近出现对称且尖锐的范霍夫奇点峰， 这 些范霍夫奇点峰之间的电子跃迁反映了碳纳米管的一维电子特 征。因此，研究碳纳米管、硼氮纳米管的电学和光学性质对于揭示 纳米管的电子态的限域效应并解释光谱实验具有重要的理论意义。 本论文共分为五部分。 第一章介绍了碳纳米管和硼氮纳米管的发现，制备，性质和 应用。 第二章首先介绍了碳纳米管和硼氮纳米管的几何结构及其能 带结构，其次采用转移矩阵方法研究硼氮纳米管态密度，并讨论 了管长、管径和螺旋度与其带隙的关系。最后介绍了固体的光性 质。 第三章研究了碳纳米管的电导，讨论了锯齿型和扶手型单壁 碳纳米管的电导与管长、管径、螺旋度以及卷曲效应的关系。研 究结果表明电导沟与管径成反比关系；在费米能附近，电子输运 不仅与管径和管长紧密相关，而且电子在不同能量下可能出现弹 道的、扩散的和经典的三种不同输运特征。 第四章计算碳纳米管和硼氮纳米管的联合态密度，讨论了这 两种管联合态密度和几何参量的关系，并进一步计算了碳纳米管 的光吸收和介电函数。 第五章对本工作做了一个总结，并对将要开展的研究提出了 一些设想。 关键词：关键词：碳纳米管，硼氮管，电导，联合态密度 2The electrical and optical properties of carbon nanotube and boron nitride nanotube Abstract As typical quasi-one-dimensional nanostructured functional materials, the production, performance and physical mechanic of carbon nanotubes (CNs) and boron nitride nanotubes (BNs) have attracted many recent studies. There are unique physical properties on the aspects of mechanic, thermotics, electricity, magnetics, optics, etc. So they have widely application in many fields, such as microelectronic device, reinforced composite material, flat plate display, materials with high hydrogen storage capacity and radiating devices. Because of limited-size along the circle, quantum confinement effect induces sharp and symmetric peak of van Hove Singularity. It shows the one-dimensional electrical characteristic because of the transition between the van Hove Singularities. These peaks of van Hove Singularities reflect the one-dimension aspects of electron in nanotubes. Therefore, the research on electrical and optical properties can reveal the confinement effect in nanotubes and can provide the theory explanation for spectral experiments. The thesis consists of five chapters. In chapter 1, we introduce the discovery, preparation, properties and application of carbon nanotube and boron-nitride nanotube. In chapter 2, the geometrical structure and band structure of the CNs and BNs are introduced at first. Then we develop a transfer-matrix method to study the electronic structure of single-wall boron nitride nanotubes. In addition, we discuss the relationship between the energy gap and the geometry (chirality, diameter and length) of single-walled boron nitride nanotube. We introduce the 3optical absorption of solid at last. Chapter 3 concerns the conductance of zigzag tube and armchair tube. The nanotube geometry (diameter, chiral angle and length) and curvature effect strongly affect the conductance of single-wall carbon nanotubes. It is found that the diameter has inverse relationship with energy gap of conductance. In addition, the conductance near the Fermi level depends on both the diameter and length of carbon nanotube. Moreover, ballistic, diffused and classical transport may be found in carbon nanotube with the variations of energy. In chapter 4, we discuss the joint density of states for single-wall carbon nanotube and single-wall boron nitride nanotube. We discuss the relationship between the nanotubes geometry (diameter, chiral angle) and the joint density of states. And we have some research on the dielectric function and optical absorption function of single-wall carbon nanotube. The last chapter presents a conclusion of this thesis and some prospects for further investigation. Key Words：carbon nanotube，boron nitride nanotube， conductance，joint density of state 5引 言 引 言 自从 1991 年饭岛发现碳纳米管(Carbon Nanotube,CN)以来1，理论预测与实验证明碳纳米管，特别是单壁碳纳米管具有优异的性能，其应用前景不可估量2,3。物理学家对不同结构纳米管的特殊电性质，化学家对纳米管具有纳米尺度的空间，材料学家 对其惊人的刚度、强度和弹力等极为关注，使得纳米管成为近十 年来凝聚态物理和材料科学研究的一大热点3。 碳纳米管有着不可思议的强度与韧性3，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来，比同体 积的钢强度高 100 倍，重量却只有 1/64。 随着微电子器件的高度集成化和小型化的发展趋势，开发以 纳米管为基础的纳米电子器件将成为本世纪的焦点内容。2003 年 5 月美国纽约的 IBM 研究中心在科学2杂志上发表了其最新研究成果：在独立的单壁碳纳米管中观察到了发荧光现象。这就是 说，使碳纳米管发光的理想将变为现实。随着纳米领域新技术的 层出不穷，纳米技术将在光电性质上有越来越广泛的应用。 事实上， 目前各国的科研机构都在加快纳米技术研究的脚步， 以 IBM 研究中心为例， 该机构在过去的 20 余年里一直致力于这一 领域的研究。近几年来，研究中心的科学家已经取得了一系列重 大的突破，尤其是在使用碳纳米管制造微小光电子器件方面。 在电子工业上，用碳纳米管制造的晶体管，体积只有半导体 的 1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新 的革命。 例如，碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏的好材 料。自从 1991 年 Iijima 发表纳米碳管的文章以后1，纳米碳管在场发射特性方面最被平面显示业界看好，一般都公认这种新材 料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子 束。目前的电视都是利用电子枪向屏幕发射电子来成像，如果使 用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以 使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制6造更薄的壁挂电视成为可能。在产业界，最早投入碳纳米管场发 射显示器（CNT-FED）的是韩国的三星电子与美国的摩托罗拉 （Motorola） ，其中三星电子在 1999 年已经展示了 4.5 吋彩色的 CNT-FED。 2001 年，日本的伊势电子工业成功试制了在发射极使 用碳纳米管 （CNT） 的 14.5 英寸大画面彩色场发射式显示器 （Field Emission Display，FED） 、其亮度高达 1 万 cd/m2。在 15 英寸级 别的大画面 CNT-FED 中亮度达到 1 万 cd/m2，这在业界还是首次。 日本双叶电子工业在 2003 年的“NanoTech 2003”上，展示了由 该公司开发的采用碳纳米管（CNT）的 FED 面板。这是该公司首次 公开使用 CNT 的 FED 面板。此前该公司一直在进行 FED 面板的开 发。 碳纳米管优异的场发射特性也可以推展到显示器以外的应 用，这些应用的要求条件没有显示器来得高，所以应该可以游刃 有余。例如利用这种电子源做发光照明用，只要有适当低电子能 量的萤光粉，将电子