C10H16@SWCNTs豆荚型一维纳米结构的电子结构及高压研究

The self-assembly C10H16 molecule is the smallest one of the Diamondoids. The peapod typed structure, which is formed as the C10H16 molecule encapsulated into the single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), has the excellent application prospect in the Nano-electronic devices field. In this project, in order to obtain stabilized and advantageous electrical properties of peapod structure, we will analysis the effect of tube’s chirality, diameter and molecular orientation of C10H16 on the electronic structure by study the orientational energy and the electrical structure of C10H16@SWCNTs with the theoretical simulation method. Based on the first principles of density functional theory (DFT), we will study the high pressure behaviour of C10H16@SWCNTs and simulating the decomposition and polymerization reaction of encapsulated C10H16 molecules by using the dynamics simulation method, and explore the new one-dimensional superhard structure. We will explore the advantageous electrical properties of high-pressured structures by studying the electronic structure with the various pressure and analyzing the regulatory mechanisms of pressure. Our project has the significant guidance on the exploring and designing the new Nano-electronic devices with the different functions.

具有自组装特性的金刚烷分子（C10H16）是金刚烷烃类分子（Diamondoids）中最小的分子。将其填充到单臂碳纳米管中（SWCNT）时，形成的豆荚型纳米结构（C10H16@SWCNTs）在纳米电子器件领域具有卓越的应用前景。本项目应用理论模拟的方法，通过对C10H16@SWCNTs豆荚型结构在常压下的取向能和电子结构的研究，分析碳管的手性、直径和C10H16分子的取向对其电子结构影响的物理机制，预测稳定且具有优异电学性能的豆荚型结构。利用基于密度泛函理论的第一性原理，研究C10H16@SWCNTs的高压行为，动力学模拟填充的C10H16分子在高压下的分解和聚合反应，寻找新型准一维超硬相。研究该豆荚型结构的电子结构随压力变化的规律，分析压力调节体系电子结构的机理，探索电学性能优异的高压结构。该工作对于探索和设计不同功能、不同用途新型低维纳米电子器件具有重要的指导性作用。

低维纳米尺寸杂化材料的研究一直备受科学界的关注。以纳米管的中空结构为限域模板，填充不同种类的客体分子可以制备具有不同结构属性的杂化材料。本课题在研期间，围绕一维限域体系的主要研究工作为：.（1）C10H16@SWCNTs的动力学行为和电子结构、高压下结构形变.利用多分子模型系统地研究了金刚烷分子填充到不同管径的纳米管中稳定取向。结果表明，碳管中一维排列的金刚烷分子的平均间距为0.726nm。金刚烷分子在小于和大于1.13nm的碳管中分别展现三重轴和二重轴的稳定取向。理论上获得了6个稳定高压聚合杂化结构。通过电学性质的分析研究了户主客体分子在高压下相互作用机理。.（2）豆荚型结构FC@SWCNT and Br@AFI的高压研究.利用第一性原理系统地研究了二茂铁分子填充到碳纳米管中构成的豆荚型结构的高压行为。结果表明户主客体分子之间的电荷转移可以增大碳管的形变压力和键合压力，并获得一个新的类沸石状SP3键合结构。系统地研究了分子筛填充一维溴链的高压行为，并获得一个新的、具有很高硬度的高压聚合结构。.（3）纳米管中填充稳定螺旋碘链、溴链螺旋性的分析。.利用经典力场系统地研究了填充在碳、氮化硼纳米管中螺旋碘链、溴链、碳链的螺旋性。结果表明稳定螺旋链的螺旋半径随管子直径的增加而增加、螺旋角随管径的增加而减小。同时说明，大的碳管倾向于诱导具有小螺旋性的链装结构。.（4）纳米管中分子动力学行为的研究.利用经典力场研究了填充在纳米管中金刚烷分子和H8Si8O12分子的动力学行为。结果表明填充的客体分子与管壁频繁地碰撞的同时，延长轴方向展现一个无规则的运动。分析了分子运动平均自由程和平均碰撞频率随管径变化的规律。.本课题开展过程中深入探讨了豆荚型一维限域体系的结构稳定性、动力学行为、高压行为、电学性质，对寻找结构稳定、电学性能优异的豆荚型结构有着重要的指导性意义。