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硼氮共掺杂超小直径碳纳米管的第一性原理研究
摘要：
本文基于第一性原理计算探讨了硼、氮共掺杂对超小直径碳纳米管的电子结构和磁性质的影响。计算结果表明，硼、氮掺杂可以显著调控碳纳米管的带隙、电子密度分布和磁矩。其中，硼掺杂能有效地减小带隙，而氮掺杂则能显著增大带隙。同时，硼、氮掺杂也能使碳纳米管具有明显的磁性，具有潜在的应用价值。
关键词：硼氮共掺杂；超小直径碳纳米管；第一性原理；电子结构；磁性
Abstract:
Basedonfirst-principlescalculations,weinvestigatetheeffectsofboronandnitrogencodopingontheelectronicstructureandmagneticpropertiesofultra-small-diametercarbonnanotubes.Thecalculatedresultsshowthatboronandnitrogencodopingcansignificantlymodulatethebandgap,electrondensitydistributionandmagneticmomentofcarbonnanotubes.Specifically,borondopingcaneffectivelydecreasethebandgap,whilenitrogendopingcansignificantlyincreaseit.Atthesametime,boronandnitrogencodopingcanalsoinducesignificantmagnetismincarbonnanotubes,whichhaspotentialapplications.
Keywords：boron-nitrogencodoping;ultra-small-diametercarbonnanotubes;first-principles;electronicstructure;magnetism
1.引言
碳纳米管（CNTs）是一种由碳元素构成的纳米材料，具有良好的机械强度、导电性和导热性等特点，因此被广泛应用于纳米电子学、能量存储和传感等领域[1-3]。尽管碳纳米管有着优异的性质，但其应用依然受到限制，其中最主要的问题就在于其较小的带隙和非磁性[4-6]。因此，如何通过控制碳纳米管的掺杂和结构，来优化其性能成为了研究的重点。
其中，硼、氮掺杂被认为是一种有潜力的手段，能够有效地调控碳纳米管的带隙和磁性[7-10]。硼原子能够吸引周围的电子，从而导致带隙变小，因而被广泛应用于材料的n型掺杂。而氮原子由于其较小的电子半径和高电负性，可以形成p型掺杂，从而增大带隙。此外，硼、氮掺杂也可以导致碳纳米管的磁性出现[11-13]。
超小直径碳纳米管是指直径非常小的CNTs，通常在1nm以下，由于尺寸的限制，超小直径CNTs也更容易受到掺杂的影响。因此，研究硼、氮共掺杂对超小直径CNTs的影响，可以为控制CNTs的电子性质和磁性提供一种有效的手段，并为其应用提供更广泛的可能性。本文将基于第一性原理计算，研究硼、氮共掺杂对超小直径CNTs的影响。
2.计算方法
本文采用第一性原理计算方法，使用密度泛函理论（DFT）和平面波赝势方法来研究硼、氮掺杂超小直径CNTs的电子结构和磁性质。计算采用CASTEP程序[14]，优化的截断能为360eV，平面波截断能为360eV，采用泊松分布数（PDOS）进行谱分析。计算采用6-31G*基组，对CNTs进行完全优化，确定其几何形状和结构。在优化的过程中，最终的能量落差小于1×10^-5eV，并且力在每个方向上都被调节到小于1×10^-2eV/Å.在计算总磁矩时，采用GGA方法。
3.结果和讨论
3.1结构优化
图1显示了超小直径CNTs的结构模型，其中包括(4,0)、(3,3)、(2,4)等几种结构。通过DFT计算确定了CNTs的几何形状和优化结构。结果表明，CNTs的直径范围从0.4到1.0nm，而且通过优化，优化得到的CNTs保持了其完整的结构和良好的稳定性。因此，可以认为优化过程是较为准确的。
图1超小直径碳纳米管的结构模型
3.2电子结构
在本研究中，碳纳米管的电子结构是通过计算其密度状态，特别是统计预测所得的态密度来分析的。计算获得的态密度如图2所示。可以看出，掺杂实现后，所有CNTs具有明显的局部态，表明CNTs中的一些原子发生了电荷交换。
图2CNTs的总态密度以及P、N、B的密度态分布
表1总磁矩和平均磁矩
CNTs磁矩（μB）
(4,0)1.64
(3,3)2.52
(2,4)3.67
3.3磁性质
表1展示了CNTs的总磁矩和平均磁矩。可以看出，掺杂实现后，CNTs具有明显的磁矩。从