[论文解读] Work Function of Single-wall Silicon Carbide Nanotube

Fawei Zheng, Yu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2011

Graphene research and applications参考文献 26被引用 31

一句话总结

本研究通过从头算计算揭示，单壁碳化硅纳米管（SiCNTs）的功函数强烈依赖于手性与直径，扶手型SiCNTs的功函数高于椅型SiCNTs，这是由于其费米能级附近存在一个简并度为一的导带。随着直径减小，功函数显著增加，(4,0)扶手型纳米管的功函数达到5.47 eV，而椅型纳米管的功函数与直径倒数呈线性关系（WF = 2.80/D + 3.77 eV）。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we study the work function of single wall silicon carbide nanotube (SiCNT). The work function is found to be highly dependent on the tube chirality and diameter. It increases with decreasing the tube diameter. The work function of zigzag SiCNT is always larger than that of armchair SiCNT. We reveal that the difference between the work function of zigzag and armchair SiCNT comes from their different intrinsic electronic structures, for which the singly degenerate energy band above the Fermi level of zigzag SiCNT is specifically responsible. Our finding offers potential usages of SiCNT in field-emission devices.

研究动机与目标

• 通过从头算计算系统地确定单壁碳化硅纳米管（SiCNTs）的功函数。
• 研究管体手性（扶手型与椅型）及直径对功函数的影响。
• 阐明扶手型与椅型SiCNTs之间功函数差异的根源。
• 为两种手性类型建立功函数与管径之间的定量关系。
• 基于功函数特性评估SiCNTs在场发射器件中的潜在应用价值。

提出的方法

• 所有全电子从头算计算均采用维也纳从头算模拟程序（VASP）完成。
• 采用Vanderbilt超软赝势和广义梯度近似（GGA）作为交换关联泛函。
• 设定400 eV平面波截断能，并根据管体类型采用29–19个k点进行布里渊区积分。
• 构建超胞并保持25 Å的管间间距，以模拟孤立纳米管并确保收敛性。
• 执行完全原子弛豫，直至原子受力低于0.01 eV/Å，同时优化管轴长度。
• 将功函数定义为WF = φ - E_F，其中φ为真空能级，E_F为费米能级（设为禁带中点）。

实验结果

研究问题

• RQ1 单壁SiCNTs的功函数如何随管径和手性变化？
• RQ2 为何扶手型SiCNTs的功函数始终高于椅型SiCNTs？
• RQ3 扶手型与椅型SiCNTs之间功函数差异的根源是什么？
• RQ4 电子结构（尤其是导带）如何影响功函数？
• RQ5 功函数能否用与直径倒数相关的简单函数关系描述？

主要发现

• 在所研究的所有直径范围内，扶手型SiCNTs（ZSiCNTs）的功函数始终高于椅型SiCNTs（ASiCNTs）。
• 对于两种手性类型，随着管径减小，功函数均显著增加，其中ZSiCNTs的增幅最为显著。
• (4,0) ZSiCNT表现出最高的功函数5.47 eV，表明其具有强烈的场发射潜力。
• ASiCNTs的功函数与直径倒数呈线性关系，可良好拟合为WF = 2.80/D + 3.77 eV。
• 除(3,0)外，ZSiCNTs的功函数也呈现线性趋势：WF = 7.74/D + 3.56 eV，其斜率大于ASiCNTs。
• 功函数差异主要源于本征电子结构，特别是ZSiCNTs在费米能级以上存在一个简并度为一的导带，该导带局域于管外且靠近硅原子。