碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究.pdf

第56卷第3期2007年3月物理学报Vol.56,No.3,March,2007
100023290P2007P56(03)P1581204ACTAPHYSICASINICAn2007Chin.Phys.Soc.

碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究3

张国英­张辉魏丹何君琦
(沈阳师范大学物理科学与技术学院,沈阳110034)
(2006年7月28日收到;2006年8月16日收到修改稿)

采用自行开发计算机软件,建立了铝晶粒大角度重位点阵晶界模型及碳纳米管与铝金属的界面结构,利用递
归法计算了纳米碳管增强铝基复合材料的电子结构参数(铝晶界、铝与纳米管界面及纳米管的结构能,体系费米能
级等).计算结果表明:Σ为5的晶界结构能最低,比较稳定;纳米碳管在铝晶粒的晶界处与铝形成的界面结构能较
低,复合材料中纳米碳管主要分布在铝晶粒的晶界处;铝提高纳米碳管的结构能,降低纳米碳管的稳定性,增强碳
管的物理化学活性,且管口处的碳原子稳定性较差,易与周围环境中的原子结合生成稳定结构.

关键词:电子结构,晶界,铝复合材料,纳米管
PACC:7100,6170N,8140

界面(包括界面晶体学、界面反应动力学、界面结构
11引言和性能等)、复合材料力学模型和增强机理、复合材
料的加工工艺性能和复合材料的环境性能等.
纳米碳管由于具有独特的管状几何结构和优异理论与实验研究表明,单壁纳米碳管具有导体
的物理化学性能,在纳米材料中占据极为重要的地和半导体的性质,其物理化学性能与电子结构密切
位.自1991年发现纳米碳管以来[1],物理学、化学、相关,因此,研究其电子结构参量,对更好利用碳纳
材料学等学科的研究者对其开展了大量的探索性研米管具有十分重要的意义.关于纳米碳管的电子理
究工作.单壁纳米管几何结构简单且性能稳定,既论研究,目前的主要方法有:PM3[3]方法、密度泛
适合于低维物理化学实验与理论研究[2],也可用于函[4]、NRL-TB[5],递归法[6,7]等方法.前几种方法的
合成纳米尺度的复合材料.碳纳米管超强的力学性研究成果十分丰富,但采用递归法研究纳米碳管电
能可以极大改善复合材料的强度和韧性;独特的导子特性的文献不多,且用此方法研究纳米碳管增强
电和光电性能可以改善材料的电导率和制备新型的金属基复合材料的电子结构还未见报道.本文采用
光电复合材料;独特结构可以制备金属或金属氧化递归法研究铝基复合材料中单壁碳纳米管的行为及
物填充的一维纳米复合材料.如今,纳米碳管复合铝对碳纳米管电子结构的影响,为深入开展碳纳米
材料的研究已成为一个极为重要的领域.管增强金属基复合材料的研究与应用提供科学
铝金属复合材料不但具有可设计性,而且具有依据.
很宽广的设计自由度,通过合理选择基体合金成分、
增强体种类以及制备工艺和参数,可以制备出性能21计算方法和计算模型
优异的材料.界面结合状况是决定复合材料性能的
关键之一,碳纳米管增强相与铝没有界面反应而形本文采用的递归法基于紧束缚近似建立系统哈
成的物理结合界面,使复合材料具有良好的力学性密顿矩阵,通过幺正变换把哈密顿矩阵变换成三对
能和热稳定性.碳纳米管增强铝基复合材料的研究角化形式,并由此定义实空间局部格林函数,格点态
工作刚刚起步,尚有许多问题需进一步研究,如复合密度可由格林函数求出.总态密度为格点态密度之

3国家自然科学基金(批准号:50671069,50571071),辽宁省教育厅科学研究计划(批准号:05L297),沈阳师范大学博士启动基金资助的
课题.
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和.其他电子结构参量均在此基础上计算得出,其计算模型时,采用自行开发的计算机软件先将铝晶
具体计算过程见文献[8,9].计算中哈密顿对角矩粒或晶界抠出一圆柱区域,然后将同体积的碳纳米
阵元和普适参数取自固态表[10],哈密顿非对角矩阵管装入形成.图2给出晶界包含碳纳米管的原子集
元取为Slater-Koster积分[11].计算中原子价电子组团在X-Y面的投影,因篇幅所限,其他计算模型不
态取为C:2s22p2,Al:3s23p1.再给出.

31计算结果与分析

3.11铝晶界区域的结构能及其稳定性

本文分别计算了三种晶界的结构能,计算步骤
为:在晶界处取一圆柱体(半径R=415!,长l=
215!),用递归法计算该圆柱体的所有原子的结构
1
能,见表1.结果表明重位密度为时圆柱体内共有
5
个原子其结构能为重位密度为
图1晶界模型17,-776162