X型碳纳米管的可见光吸收特性研究

刘兵+杨凯+汪岳峰

摘要： 为了探索X型碳纳米管的介电性质和可见光吸收性质，建立了手性矢量分别为（5，5）和（8，0）的碳纳米管交合的X型碳纳米管模型。采用基于密度泛函的平面波赝势法对其进行几何结构优化和光学性质探索，运用广义梯度近似理论超软赝势对交换相关能进行近似。计算结果表明被交合而成的碳纳米管的介电常数曲线和可见光吸收曲线的峰值大小和峰值位置均发生了变化，这是因为碳纳米管结构的变化导致碳原子间的能级发生改变，从而改变了光子跃迁能量和吸收光子的波长。

关键词： X型碳纳米管； 密度泛函理论； 介电常数； 可见光吸收系数

中图分类号： O 469文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.016

引言碳纳米管是一种质量轻、导电性能好、可见光吸收高的新兴材料，自1991年发现以来被广泛应用于电子元器件、太阳能电池等领域[1]。目前，碳纳米管的制备方式主要由电弧法[2]、激光蒸发法[3]、化学气相沉积法[4]等，这些制备方法的本质是将有机或无机化合物中的碳原子裂解再重新凝结，在制备过程中很难保证碳纳米管理化上的一维结构，碳原子的缺失、移位以及碳纳米管间的交错等缺陷形成了枝状、竹节状、瘤状、链状的碳纳米管现象非常普遍。这些带有缺陷的碳纳米管由于分子结构在局部发生了变化，会显现出一些特殊性质，对有缺陷碳纳米管的研究扩展了碳纳米管的应用领域。文献[5]指出，当五元环掺杂到六元环时会改变原始六元环的螺旋性，从而根本地改变碳纳米管的电子结构。文献[6]报道了用CVD（化学气相沉积法）制备出了六元环中镶嵌五元环的碳纳米管。上述介绍的是存在局域缺陷的碳纳米管，这些碳纳米管在结构上的局域性变形会影响其电子结构，但不是很明显。两种相同碳纳米管或不同碳纳米管交合的情况下，碳纳米管会出现很大的形状变化，同时会引起大的电子结构变化。近年来通过电子流焊接的方法成功地制备出了这种交合式碳纳米管[78]。张春梅等运用微量水控制PECVD（等离子体化学气相沉积）的方法成功制备出了管径均匀的竹节型单臂碳纳米管[9]。目前通过电子显微镜已能观察到形状为“X”、“Y”、“T”的交合状碳纳米管[1012]。本文主要就两种交错碳纳米管的可见光吸收特性展开研究，探索X型碳纳米管的可见光吸收机理。1计算原理本文采用基于广义梯度近似的密度泛函理论[13]对“X”型碳纳米管的能隙和电子结构进行分析。密度泛函理论使得复杂的N电子波函数及其对应的薛定谔方程转化为简单的电子密度函数及其对应的计算体系，简化了复杂的量子计算。其基本形式为KohnShame[14]方程-122+v（r）+∫ρ（r′）r-r′dr′+vxc（ρ）i=εii（1）式中，2为梯度算符，v（r）为势能，ρ（r′）为密度，εi为本征值，i为波函数，vxc（ρ）为交换相关势密度，有效势Veff由电子密度决定，则Veff=v（r）+∫ρ（r′）r-r′dr′+vxc[ρ]（2）式（2）中电子密度为ρ（r′）=∑Ni=1i（r）2（3）式（3）中i（r）是基于电子无相互作用的N电子体系的基态波函数。由式（1）和式（3）通过自洽场来求解，可以得到一个自洽收敛的电荷密度ρ0。

3计算结果与分析密度泛函理论针对材料的光子跃迁式吸收比较精确，适用于对可见光的吸收机理。为了探索X型碳纳米管的可见光吸收特性，本文主要就频率1.6～3.3 eV的可见光波段的介电常数和吸收系数展开计算。图2为可见光垂直于碳纳米管轴线入射时碳纳米管的介电常数曲线，其中实线表示CNT（5，5）的介电常数，虚线表示CNT（8，0）的介电常数，点线表示CNT（8，0）与CNT（5，5）交叉的X型碳纳米管的介电常数。CNT（5，5）的介电常数在1.3附近没有大的波动非常平稳。CNT（8，0）在频率1.6～2.6 eV区间，介电常数随着频率的增加减小，在频率为2.6 eV时介电常数最小只有0.3，频率在2.6～3.3 eV区间介电常数随着频率的增加而增加，在频率为3.3 eV时介电常数最大达到0.9。X型碳纳米管在频率1.6～2.0 eV区间介电常数随着频率的增加而增加，在频率为2.0 eV时介电常数最大达到2，频率在2.0～3.0 eV区间，介电常数随频率的增加而减小，在频率为3.0 eV时介电常数达到最小值0.75。一般来说X型碳纳米管在低频区的介电常数较大，在高频区的介电常数略小。而纯净的CNT（5，5）介电常数比较稳定，CNT（8，0）的介电常数比较低。由图3可看出CNT（5，5）与CNT（8，0）在低频区介电常数随着频率的增加而增加，最小值接近0，最大值接近3。CNT（8，0）的介电常数随着频率的增加而减小，最大值接近9，最小值接近1.5。

图4为三种碳纳米管在垂轴方向的可见光吸收系数，CNT（5，5）的可见光吸收系数随着频率的增加而增加。CNT（8，0）的可见光吸收系数在频率为1.6～2.6 eV区域随着频率的增加而减小，在频率为2.6 eV时吸收系数达到最小值接近0。在频率为2.6～3.2 eV区域，可见光吸收系数随着频率的增加而增加，在频率为3.2 eV达到最大值18 000 cm-1。X型碳纳米管在频率为1.6～2.3 eV区域，可见光吸收系数随着频率增加而增加，在频率为2.3 eV达到最大值为25 000 cm-1。频率在2.3～3.0 eV区域，可见光吸收系数随着频率的增加减小，在频率为3 eV达到最小值为18 000 cm-1。总之，X型碳纳米管的可见光吸收系数在低频区比较高。CNT（5，5）从低频区到高频区吸收系数逐渐增加。CNT（8，0）在中间频段的吸收系数比较低。图5为三种碳纳米管沿着轴线方向的可见光吸收系数，CNT（5，5）与X型碳纳米管的可见光吸收系数曲线相似，都是随着频率的增加而增加，最大值在3.3 eV处达到了45 000 cm-1。CNT（8，0）的可见光吸收系数大于CNT（5，5）与X型碳纳米管的可见光吸收系数，最小值在1.6 eV处达到了48 000 cm-1，最大值在3 eV处达到了85 000 cm-1。

4结论通过以上分析，可以看出由CNT（5，5）与CNT（8，0）交融的X型碳纳米管的可见光吸收性质不同于纯净的CNT（5，5）和CNT（8，0）。这主要是在碳纳米管交叉处分子间的距离和分子间的作用力发生了改变，这样就改变了跃迁能级间的能量，从而改变碳纳米管的吸收峰值位置和大小。因此，通过制备有缺陷碳纳米管的方法能实现对特定波段可见光的吸收。

参考文献：

[1]IIJIAMA S.Helical microbules of graphitic carbon[J].Nature，1991，354（6348）：5658.

[2]李晓丽，鲍卫仁，朱自平.电弧等离子体法裂解甲烷制备碳纳米管[J].材料工程，2008（10）：306307.

[3]朱华.碳纳米管的制备方法研究进展[J].江苏陶瓷，2008，41（4）：2022.

[4]林青，贺琦.化学气相沉积法制备碳纳米管的有序阵列[J].青岛大学学报，2008，23（3）：2329.

[5]DE FAZIO E，BERCOFF P G，JACOBO S E.Electromagnetic properties of manganesezinc ferrite with lithium substitution[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（22）：28132817.

[6]PHAM T L，DUNG P V，SUGIYAMA A，et al.First principles study of the physisorption of hydrogen molecule on graphene and carbon nanotube surfaces adhered by Pt atom[J].Computational Materials Science，2010，49（S1）：1520.

[7]ZHAO D L，ZHANG J M，LI X.Electromagnetic and microwave absorbing properties of Cofilled carbon nanotubes[J].Journal of Alloys and Compounds，2010，505（2）：712716.

[8]PEDERSON M R，BROUGHTON J Q.Nanocapilarity in Fullerene Tubules[J].Physical Review Letters，1992，69（18）：26892692.

[9]张春梅，边心超，陈强，等.微量水对碳纳米管形貌的影响及其机理研究[J].物理学报，2008，57（7）：46024606.

[10]GWON Y H，HA J K，CHO K K，et al.Physical and electrochemical properties of synthesized carbon nanotubes[CNTS]on a metal substrate by thermal chemical vapor deposition[J].Nanoscale Research Letters，2012，7（1）：6165.

[11]HADJIEV V G，WARREN G L，SUN L Y，et al.Raman microscopy of residual strains in carbon nanotube/ epoxy composites[J].Carbon，2010，48（6）：17501756.

[12]KIM J H，JANG H S，LEE K H，et al.Tuning of Fe catalysts for growth of spincapable carbon nanotubes[J].Science Direct Carbon，2010，48（2）：538547.

[13]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1985：325368.

4结论通过以上分析，可以看出由CNT（5，5）与CNT（8，0）交融的X型碳纳米管的可见光吸收性质不同于纯净的CNT（5，5）和CNT（8，0）。这主要是在碳纳米管交叉处分子间的距离和分子间的作用力发生了改变，这样就改变了跃迁能级间的能量，从而改变碳纳米管的吸收峰值位置和大小。因此，通过制备有缺陷碳纳米管的方法能实现对特定波段可见光的吸收。

参考文献：

[1]IIJIAMA S.Helical microbules of graphitic carbon[J].Nature，1991，354（6348）：5658.

[2]李晓丽，鲍卫仁，朱自平.电弧等离子体法裂解甲烷制备碳纳米管[J].材料工程，2008（10）：306307.

[3]朱华.碳纳米管的制备方法研究进展[J].江苏陶瓷，2008，41（4）：2022.

[4]林青，贺琦.化学气相沉积法制备碳纳米管的有序阵列[J].青岛大学学报，2008，23（3）：2329.

[5]DE FAZIO E，BERCOFF P G，JACOBO S E.Electromagnetic properties of manganesezinc ferrite with lithium substitution[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（22）：28132817.

[6]PHAM T L，DUNG P V，SUGIYAMA A，et al.First principles study of the physisorption of hydrogen molecule on graphene and carbon nanotube surfaces adhered by Pt atom[J].Computational Materials Science，2010，49（S1）：1520.

[7]ZHAO D L，ZHANG J M，LI X.Electromagnetic and microwave absorbing properties of Cofilled carbon nanotubes[J].Journal of Alloys and Compounds，2010，505（2）：712716.

[8]PEDERSON M R，BROUGHTON J Q.Nanocapilarity in Fullerene Tubules[J].Physical Review Letters，1992，69（18）：26892692.

[9]张春梅，边心超，陈强，等.微量水对碳纳米管形貌的影响及其机理研究[J].物理学报，2008，57（7）：46024606.

[10]GWON Y H，HA J K，CHO K K，et al.Physical and electrochemical properties of synthesized carbon nanotubes[CNTS]on a metal substrate by thermal chemical vapor deposition[J].Nanoscale Research Letters，2012，7（1）：6165.

[11]HADJIEV V G，WARREN G L，SUN L Y，et al.Raman microscopy of residual strains in carbon nanotube/ epoxy composites[J].Carbon，2010，48（6）：17501756.

[12]KIM J H，JANG H S，LEE K H，et al.Tuning of Fe catalysts for growth of spincapable carbon nanotubes[J].Science Direct Carbon，2010，48（2）：538547.

[13]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1985：325368.

4结论通过以上分析，可以看出由CNT（5，5）与CNT（8，0）交融的X型碳纳米管的可见光吸收性质不同于纯净的CNT（5，5）和CNT（8，0）。这主要是在碳纳米管交叉处分子间的距离和分子间的作用力发生了改变，这样就改变了跃迁能级间的能量，从而改变碳纳米管的吸收峰值位置和大小。因此，通过制备有缺陷碳纳米管的方法能实现对特定波段可见光的吸收。

参考文献：

[1]IIJIAMA S.Helical microbules of graphitic carbon[J].Nature，1991，354（6348）：5658.

[2]李晓丽，鲍卫仁，朱自平.电弧等离子体法裂解甲烷制备碳纳米管[J].材料工程，2008（10）：306307.

[3]朱华.碳纳米管的制备方法研究进展[J].江苏陶瓷，2008，41（4）：2022.

[4]林青，贺琦.化学气相沉积法制备碳纳米管的有序阵列[J].青岛大学学报，2008，23（3）：2329.

[5]DE FAZIO E，BERCOFF P G，JACOBO S E.Electromagnetic properties of manganesezinc ferrite with lithium substitution[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（22）：28132817.

[6]PHAM T L，DUNG P V，SUGIYAMA A，et al.First principles study of the physisorption of hydrogen molecule on graphene and carbon nanotube surfaces adhered by Pt atom[J].Computational Materials Science，2010，49（S1）：1520.

[7]ZHAO D L，ZHANG J M，LI X.Electromagnetic and microwave absorbing properties of Cofilled carbon nanotubes[J].Journal of Alloys and Compounds，2010，505（2）：712716.

[8]PEDERSON M R，BROUGHTON J Q.Nanocapilarity in Fullerene Tubules[J].Physical Review Letters，1992，69（18）：26892692.

[9]张春梅，边心超，陈强，等.微量水对碳纳米管形貌的影响及其机理研究[J].物理学报，2008，57（7）：46024606.

[10]GWON Y H，HA J K，CHO K K，et al.Physical and electrochemical properties of synthesized carbon nanotubes[CNTS]on a metal substrate by thermal chemical vapor deposition[J].Nanoscale Research Letters，2012，7（1）：6165.

[11]HADJIEV V G，WARREN G L，SUN L Y，et al.Raman microscopy of residual strains in carbon nanotube/ epoxy composites[J].Carbon，2010，48（6）：17501756.

[12]KIM J H，JANG H S，LEE K H，et al.Tuning of Fe catalysts for growth of spincapable carbon nanotubes[J].Science Direct Carbon，2010，48（2）：538547.

[13]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1985：325368.