磁性原子吸附的纳米管异质结磁性和电子输运性质的理论研究

采用第一性原理方法研究碳化硅纳米管-碳纳米管（SiCNT-CNT）异质结的结构、电子结构性质、力学性质、原子吸附特性以及原子吸附前后磁性和电子输运性质的变化。其中包括分析多种类型的碳纳米管和多种类型的碳化硅纳米管的结合处的原子化结构，讨论结构不同的异质结的电子结构性质和电子输运性质；针对较为稳定的异质结结构讨论其磁性原子的吸附行为，以此为基础分析磁性原子对异质结磁性和电子输运性质的影响。开展对SiCNT-CNT异质结的结构、性质以及磁性原子吸附影响的研究，将有利于揭示SiCNT-CNT异质结的基本特性以及功能修饰特性，这为研究其他的纳米线或纳米管异质结提供了重要的理论依据，也为以后纳米异质结的实际应用奠定基础。

本项目采用第一性原理的密度泛函方法从理论上研究了由碳化硅纳米管和碳纳米管组成的异质结的结构和物理特性。我们在大量搜索结构的基础上发现由相同手性指数的碳化硅纳米管和碳纳米管组成的异质结具有稳定的结构，且通过晶格优化找到了最优的晶格常数，从而得到了理想的界面上的C-C和C-Si键长。在此结构基础上，采用对能量求二阶偏微分的方法计算了异质结的杨氏模量，发现异质结杨氏模量与所含的碳化硅纳米管的杨氏模量相当，界面的存在并没有降低体系的力学强度。尽管异质结带隙的变化趋势与单一的碳化硅纳米管的变化趋势极为相似，但碳纳米管的存在却影响了费米能级附近的电子态。由于曲率效应，在完美的纳米管异质结中可以出现自旋极化现象，产生具有周期性磁分布的磁纳米结，为碳化硅纳米管-碳纳米管异质结的应用提供了一个新的方向。对于磁性原子 (Fe, Co, Ni) 在纳米管异质结上的吸附，我们发现原子在碳化硅纳米管处吸附体系能量较低，而在界面处或者碳纳米管处吸附体系能量较高，表明原子倾向于吸附在碳化硅纳米管一端，与我们最初的原子容易吸附在界面处的设想不同。当异质结上吸附两个磁性原子时，他们倾向于以结合在一起的形式吸附在碳化硅纳米管一端。磁性原子吸附前后异质结的电子结构和磁性质发生了改变，其电子态密度和磁矩与磁性原子的种类有关，受吸附位置的影响不大。纳米管异质结的输运性质在磁性原子吸附前后变化不大。