[论文解读] Carbon Nanotube with Square Cross-section: An Ab Initio Investigation

Pedro Alves da Silva Autreto, Sérgio B. Legoas+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2010

Boron and Carbon Nanomaterials Research参考文献 2被引用 9

一句话总结

本从头算研究探讨了方形截面碳纳米管（CNTSC）的可行性，通过密度泛函理论证明，此类结构可稳定或亚稳存在，表现出金属性行为，并可直接通过径向压缩单壁碳纳米管SWNT(2,2)形成。结果证实其结构与电子结构的可行性，提示可通过加压转化或聚合物路线实现合成。

ABSTRACT

Recently, Lagos et al. (Nature Nanotechnology 4, 149 (2009)) reported the discovery of the smallest possible silver square cross-section nanotube. A natural question is whether similar carbon nanotubes can exist. In this work we report ab initio results for the structural, stability and electronic properties for such hypothetical structures. Our results show that stable (or at least metastable) structures are possible with metallic properties. They also show that these structures can be obtained by a direct interconversion from SWNT(2,2). Large finite cubane-like oligomers, topologically related to these new tubes were also investigated.

研究动机与目标

• 研究假设性方形截面碳纳米管（CNTSC）的结构、稳定性及电子性质。
• 确定在从头算计算下，CNTSC结构是否可作为稳定或亚稳态存在。
• 探讨SWNT(2,2)在径向压缩下直接转化为CNTSC的可能性。
• 评估与CNTSC相关的有限立方烷样寡聚体的稳定性和能量趋势。
• 评估CNTSC的电子结构，并与标准碳纳米管及体相碳相进行比较。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函的从头算总能计算。
• 使用包含极化函数的双数值基组（DNP）的DMol3程序。
• 对无限CNTSC和最多十个方形单元的有限寡聚体采用周期性边界条件。
• 通过径向压缩模拟外压作用，研究SWNT(2,2)向CNTSC的转化路径。
• 能量最小化收敛标准设定为：能量0.00027 eV，梯度0.054 eV/Å，位移0.005 Å。
• 通过总能与晶胞体积的关系拟合Murnaghan状态方程，以确定平衡晶格参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 方形截面碳纳米管（CNTSC）能否以稳定或亚稳态结构存在？
• RQ2 在外部压力下，SWNT(2,2)是否可通过可行路径直接转化为CNTSC？
• RQ3 CNTSC的电子性质如何？与SWNT(2,2)及体相碳相相比有何差异？
• RQ4 有限立方烷样寡聚体的能量随碳原子数如何演化？是否趋近于无限CNTSC结构？
• RQ5 CNTSC与石墨、金刚石及SWNT(2,2)相比，相对稳定性如何？

主要发现

• CNTSC结构稳定或亚稳存在，其原子总能量为-38.003 Ha，在能量排序中位于金刚石与SWNT(2,2)之间。
• CNTSC与SWNT(2,2)之间的能量差为0.0384 Ha，与SWNT(2,2)和金刚石之间的能量差（0.0395 Ha）相当。
• 在径向压缩下，SWNT(2,2)可直接转化为CNTSC，转化过程中轴向晶格参数增加。
• 能带结构与态密度分析表明，CNTSC表现出金属性，费米能级处具有有限态密度。
• 有限立方烷样寡聚体（n=2至n=10）形成过程为吸热反应，但其能量随尺寸增大趋近于无限CNTSC结构，碳原子能量从n=2时的-38.647 Ha降低至无限情况下的-38.003 Ha。
• 当轴向c-晶格参数超过3.2 Å时，CNTSC结构才能维持其管状拓扑结构，表明存在关键结构阈值。