[论文解读] Bond Lengths of Single-Walled Carbon Nanotubes

Ali Nasir Imtani, V. K. Jindal|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2006

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 5被引用 6

一句话总结

本研究利用Tersoff势能和基于对称性的结构模型，研究了单壁碳纳米管（SWNTs）中键长的变化，发现能量最小化需要两种不同的键长——这与通常假设的单一键长相矛盾。键长差异取决于手性与管径，且在静水压作用下发生显著变化，包括在某一临界压力下两种键长趋于收敛并发生顺序反转，为通过压力依赖的振动模式实验测定手性和半径提供了可能途径。

ABSTRACT

Results of the bond lengths for various chiralities of single-wall carbon carbon nanotubes (SWNTs) (armchair, zigzag and chiral) are obtained. We use modified helical and rotational symmetries to describe the structure of SWNTs and Tersoff potential to minimize the energy of these tubes. It emerges that in general, two bond lengths are required for obtaining minimum energy structure, in contrast to one bond length commonly used. The difference in bond lengths depends on chirality and radius of achiral tubes. Significantly, even a small deviation from zigzag or armchair character leads to interesting behavior of bond lengths. A reduction in diameter is responsible for difference in the bond lengths of achiral nanotubes. We also calculate the bond lengths under hydrostatic pressure. The behavior of bond lengths for armchair single-wall nanotubes when calculated under pressure shows that the larger bond length decreases faster with pressure in comparison to the shorter bond length. At some critical pressure (depending upon the radius of the tube), the two bond lengths become equal to each other, reversing their difference above this critical pressure. We suggest that this behavior can be exploited to experimentally determine the chirality and radius of the carbon nanotubes, for example by observing the presence and disappearance of modes typical of two different bond lengths. This change occurs only within a few GPa of pressure.

研究动机与目标

• 研究不同手性下单壁碳纳米管（SWNTs）中键长变化的特性。
• 确定单一键长是否足以实现能量最小化，或是否需要多个键长。
• 研究管径与手性对键长差异的影响。
• 探讨扶手型SWNTs中键长的压强依赖行为及其对结构识别的启示。
• 提出一种通过压力诱导的键长特性变化，实验测定SWNTs手性和半径的方法。

提出的方法

• 采用改进的螺旋对称性与旋转对称性，对具有不同手性的SWNTs原子结构进行建模。
• 应用Tersoff势能最小化系统总能量，并确定平衡键长。
• 系统性地改变管径与手性，以分析由此产生的键长差异。
• 通过在压强下进行能量最小化模拟，研究静水压对扶手型SWNTs中键长的影响。
• 追踪键长随压强增加的演化过程，以识别关键的相变点。
• 将两种键长的收敛与顺序反转作为潜在的实验表征信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 单壁碳纳米管在非理想手性下是否需要超过一种键长才能实现能量最小化？
• RQ2 键长差异如何依赖于无手性SWNTs的管径与手性？
• RQ3 在逐渐增加的静水压下，扶手型SWNTs中的两种键长会发生什么变化？
• RQ4 键长差异在何种压强下发生反转？该现象能否作为结构探针使用？
• RQ5 两种不同键长之间的压力诱导转变是否可被实验观测到，并用于确定纳米管的手性和半径？

主要发现

• SWNTs的能量最小化需要两种不同的键长，这与通常假设的单一键长相矛盾。
• 键长差异随管径减小而增大，尤其在无手性管中更为显著。
• 即使偏离扶手型或锯齿型构型的微小偏差，也会导致可测量的键长差异。
• 在静水压作用下，扶手型SWNTs中较长的键长比短键长减小得更快。
• 在临界压强下（该压强依赖于管径），两种键长趋于收敛并发生顺序反转，该转变在数吉帕斯卡（GPa）范围内发生。
• 该压力诱导的反转为实验识别手性和半径提供了潜在方法，即通过观测与两种键长相关的特征振动模式的出现与消失来实现。