[论文解读] Electonic transport properties of nitrate-doped carbon nanotube networks

Tomi Ketolainen, Ville Havu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 43被引用 4

一句话总结

本研究利用密度泛函理论（DFT）研究了硝酸盐掺杂的碳纳米管（CNT）网络，结果表明NO₃分子作为电子受体，通过从CNT中转移电子诱导p型掺杂。掺杂显著增强了电子输运性能，尤其在半导体CNT及其结区表现明显，由于费米能级下移至范霍夫奇异性以下，电导率最高可提升一个数量级。

ABSTRACT

The conductivity of carbon nanotube (CNT) networks can be improved markedly by doping with nitric acid. In the present work, CNTs and junctions of CNTs functionalized with NO$_3$ molecules are investigated to understand the microscopic mechanism of nitric acid doping. According to our density functional theory band structure calculations, there is charge transfer from the CNT to adsorbed molecules indicating p-type doping. The average doping efficiency of the NO$_3$ molecules is higher if the NO$_3$ molecules form complexes with water molecules. In addition to electron transport along individual CNTs, we have also studied electron transport between different types (metallic, semiconducting) of CNTs. Reflecting the differences in the electronic structures of semiconducting and metallic CNTs, we have found that besides turning semiconducting CNTs metallic, doping further increases electron transport most efficiently along semiconducting CNTs as well as through a junction between them.

研究动机与目标

• 为了理解硝酸掺杂在CNT网络中的微观机制，重点关注NO₃的吸附行为与电荷转移过程。
• 研究掺杂对单根CNT以及金属与半导体CNT之间结区电子输运的影响。
• 确定水分子在NO₃络合中的作用及其对掺杂效率和CNT-分子距离的影响。
• 比较NO₃掺杂下金属与半导体CNT的掺杂效率及电导率增强效果。
• 评估费米能级相对于范霍夫奇异性发生偏移对掺杂CNT体系输运性能的影响。

提出的方法

• 采用PBE和HSE06泛函的密度泛函理论（DFT）计算电子能带结构和透射函数。
• 使用FHI-aims代码进行几何优化，采用轻基组和紧基组设置，并包含Tkatchenko-Scheffler的范德华校正。
• 研究了NO₃分子吸附在(8,8)金属型和(10,0)半导体型CNT上的体系，考察了掺杂浓度变化及H₂O分子的引入。
• 对含一个NO₃分子的体系进行了自旋极化计算，以评估费米能级附近电子态的磁性效应。
• 通过透射函数评估电导率，并分析费米能级相对于范霍夫奇异性的位移。
• 计算并比较了有无范德华校正时的平均CNT-分子距离，以评估吸附强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NO₃分子在CNT上的吸附如何影响电荷转移及掺杂类型（n型或p型）？
• RQ2 NO₃掺杂对单根金属型和半导体型CNT中电子输运有何影响？
• RQ3 共吸附H₂O分子如何影响NO₃的结合行为及CNT网络中的掺杂效率？
• RQ4 为何NO₃掺杂后，半导体CNT结区的电导率增强比金属CNT更显著？
• RQ5 费米能级下移至范霍夫奇异性以下在多大程度上增强了掺杂CNT中的输运性能？

主要发现

• NO₃分子作为电子受体，从CNT中转移电子，诱导p型掺杂，该结论通过能带结构计算中费米能级下移得到证实。
• NO₃掺杂的(8,8)CNT中，平均CNT-分子距离在掺杂浓度从1到8个分子范围内保持在约3.07 Å，表明其浓度依赖性极弱。
• 引入H₂O分子后，CNT-NO₃距离从3.05 Å增加至3.16 Å，这是空间位阻和静电效应共同作用的结果，导致吸附强度降低。
• 半导体型CNT的掺杂导致电导率显著提升，在含多个NO₃分子的结区电导率最高可提升十倍。
• 金属型CNT在掺杂后管内电导率仅略有下降，因为费米能级未有效移向范霍夫奇异性。
• 当费米能级下移至半导体型CNT的范霍夫奇异性以下时，电导率增强最为显著，此时透射概率最大。