Ni原子链填充碳纳米管的能量、电子结构和磁性的第一性原理计算

李姝丽; 张建民

doi:10.7498/aps.60.078801

摘要

在广义梯度近似(GGA)下,利用密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理投影缀加波(PAW)赝势方法,研究了单根Ni原子链填充扶手椅型(n,n)(5≤n≤9)单壁碳纳米管的能量、电子结构和磁性.结果表明(5,5)碳纳米管直径过小排斥Ni原子链的插入,(6,6)碳纳米管是容纳Ni原子链的最小碳纳米管,特别是Ni原子链位于其中心轴线上时的形成能最低.以Ni@(6,6)和Ni@(7,7)系统为例,计算并分析了其自旋极化能带结构,电子总态密度,分波态密度和磁性,发现Ni原子的3d态电子

关键词:

Abstract

In the generalized gradient approximation (GGA), energies, electronic structures and magnetic properties have been investigated for a single Ni atomic chain encapsulated in an armchair single-wall (n,n) carbon nanotubes (5≤n≤9) by using the first-principles projector augmented wave (PAW) potential within the density function theory (DFT) framework. The results show that the (5,5) tube is too narrow to wrap a Ni atomic chain, but the (6,6) tube is the smallest one to wrap a Ni atomic chain, especially at its central axis due to the lowest formation energy. The analyses of the spin-polarized band structures, total density of states (DOS), partial density of states (PDOS) and the magnetic moment of Ni@(6,6) and Ni@(7,7) systems show that the 3d states of Ni atom play determinant rales in DOS at the Fermi level, and the broader carbon nanotubes restrict slightly the magnetic moment of Ni atomic chain compared with with the narrower ones.

Keywords:

作者及机构信息

李姝丽²,
张建民¹

(1)陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062; (2)陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062;西安文理学院物理系,西安 710065

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973)(批准号:2004CB619302),国家自然科学基金(批准号:51071098)和西安文理学院中青年科研基金(批准号:kyc201008)资助的课题.

Authors and contacts

Li Shu-Li²,
Zhang Jian-Min¹

(1)College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China; (2)College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China;Department of Physics,Xian University of Arts and Science, Xi’an 710065,China

参考文献

[1]	Iijima S 1991 Nature 354 56
[2]	Falvo M R, Clary G J, Taylor R M, Chi V, Brooks F P, Jr Washburn S, Superfine R 1997 Nature 389 582
[3]	Liu H X, Zhang H M, Hu H Y, Song J X 2009 Chin. Phys. B 18 734
[4]	Ni M Y, Wang X L, Zeng Z 2009 Chin. Phys. B 18 357
[5]	Long Y Z, Li M M, Sui W M, Kong Q S, Zhang L 2009 Chin. Phys. B 18 1221
[6]	Wang Y, Wu Q, He X J, Zhang S Q, Zhuang L L 2009 Chin. Phys. B 18 1801
[7]	Wang Y J, Wang L D, Yang M, Liu G Q, Yan C 2010 Acta Phys. Sin. 59 4950 (in Chinese) [王益军、王六定、杨敏、刘光清、严诚 2010 物理学报 59 4950]
[8]	Xu H, Xiao J, Ouyang F P 2010 Acta Phys. Sin. 59 4186 (in Chinese) [徐慧、肖金、欧阳方平 2010 物理学报 59 4186]
[9]	Zhang Y, Wen B, Song X Y, Li T J 2010 Acta Phys. Sin. 59 3583 (in Chinese) [张宇、温斌、宋肖阳、李廷举 2010 物理学报 59 3583]
[10]	Wang W, Zhang K W, Meng L J, Li Z Q, Zuo X Y, Zhong J X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2672 (in Chinese) [王伟、张凯旺、孟利军、李中秋、左学云、钟建新 2010 物理学报 59 2627]
[11]	Yang T Z, Luo S Z 2010 Acta Phys. Sin. 59 447 (in Chinese) [杨通在、罗顺忠 2010 物理学报 59 447]
[12]	Zhang L J, Hu H F, Wang Z Y, Wei Y, Jia J F 2010 Acta Phys. Sin. 59 527 (in Chinese) [张丽娟、胡慧芳、王志勇、魏燕、贾金凤 2010 物理学报 59 527]
[13]	Saito R, Dresselhaus G, Dresselhaus M S 1998 Physical Properties of Carbon Nanotubes (London: ImperialCollege Press)
[14]	Dresselhaus M S, Dresselhaus G, Eklum P C 1996 Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (New York: Academic Press)
[15]	Bachtold A, Strunk C, Salvetat J P, Bonard J M, Forró L, Nussbaumer T, Schnenberger C 1999 Nature 397 673
[16]	Kang Y J, Choi J, Moon C Y, Chang K J 2005 Phys. Rev. B 71 115441
[17]	Grobert N, Hsu W K, Zhu Y Q, Hare J P, Kroto H W, Walton D R M, Terrones M, Terrones H, Redlich P H, Rühle M, Escudero R, Morales F 1999 Appl. Phys. Lett. 75 3363
[18]	Tsang S C, Chen Y K, Harris P J F, Green M L H 1994 Nature 372 159
[19]	Guerret-Piécourt C , Le Bouar Y, Lolseau A, Pascard H 2002 Nature 372 761
[20]	Rao C N R, Sen R, Satishkumar B C, Govindaraj A 1998 Chem. Commun. 15 1525
[21]	Satishkumar B C, Govindaraj A, Vanitha PV, Raychaudhuri A K, Rao C N R 2002 Chem. Phys. Lett. 362 301
[22]	Che R C, Peng L M, Duan X F, Chen O, Liang X L 2004 Adv. Mater. 16 401
[23]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[24]	Kresse G, Hafner J 1994 Phys. Rev. B 49 14251
[25]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15
[26]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[27]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[28]	Perdew J, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[29]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[30]	Zhang J M, Du X J, Wang S F, Xu K W 2009 Chin. Phys. B 18 5468
[31]	Jo C, Kim C, Lee Y H 2002 Phys. Rev. B 65 035420

施引文献

[1]	Iijima S 1991 Nature 354 56
[2]	Falvo M R, Clary G J, Taylor R M, Chi V, Brooks F P, Jr Washburn S, Superfine R 1997 Nature 389 582
[3]	Liu H X, Zhang H M, Hu H Y, Song J X 2009 Chin. Phys. B 18 734
[4]	Ni M Y, Wang X L, Zeng Z 2009 Chin. Phys. B 18 357
[5]	Long Y Z, Li M M, Sui W M, Kong Q S, Zhang L 2009 Chin. Phys. B 18 1221
[6]	Wang Y, Wu Q, He X J, Zhang S Q, Zhuang L L 2009 Chin. Phys. B 18 1801
[7]	Wang Y J, Wang L D, Yang M, Liu G Q, Yan C 2010 Acta Phys. Sin. 59 4950 (in Chinese) [王益军、王六定、杨敏、刘光清、严诚 2010 物理学报 59 4950]
[8]	Xu H, Xiao J, Ouyang F P 2010 Acta Phys. Sin. 59 4186 (in Chinese) [徐慧、肖金、欧阳方平 2010 物理学报 59 4186]
[9]	Zhang Y, Wen B, Song X Y, Li T J 2010 Acta Phys. Sin. 59 3583 (in Chinese) [张宇、温斌、宋肖阳、李廷举 2010 物理学报 59 3583]
[10]	Wang W, Zhang K W, Meng L J, Li Z Q, Zuo X Y, Zhong J X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2672 (in Chinese) [王伟、张凯旺、孟利军、李中秋、左学云、钟建新 2010 物理学报 59 2627]
[11]	Yang T Z, Luo S Z 2010 Acta Phys. Sin. 59 447 (in Chinese) [杨通在、罗顺忠 2010 物理学报 59 447]
[12]	Zhang L J, Hu H F, Wang Z Y, Wei Y, Jia J F 2010 Acta Phys. Sin. 59 527 (in Chinese) [张丽娟、胡慧芳、王志勇、魏燕、贾金凤 2010 物理学报 59 527]
[13]	Saito R, Dresselhaus G, Dresselhaus M S 1998 Physical Properties of Carbon Nanotubes (London: ImperialCollege Press)
[14]	Dresselhaus M S, Dresselhaus G, Eklum P C 1996 Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (New York: Academic Press)
[15]	Bachtold A, Strunk C, Salvetat J P, Bonard J M, Forró L, Nussbaumer T, Schnenberger C 1999 Nature 397 673
[16]	Kang Y J, Choi J, Moon C Y, Chang K J 2005 Phys. Rev. B 71 115441
[17]	Grobert N, Hsu W K, Zhu Y Q, Hare J P, Kroto H W, Walton D R M, Terrones M, Terrones H, Redlich P H, Rühle M, Escudero R, Morales F 1999 Appl. Phys. Lett. 75 3363
[18]	Tsang S C, Chen Y K, Harris P J F, Green M L H 1994 Nature 372 159
[19]	Guerret-Piécourt C , Le Bouar Y, Lolseau A, Pascard H 2002 Nature 372 761
[20]	Rao C N R, Sen R, Satishkumar B C, Govindaraj A 1998 Chem. Commun. 15 1525
[21]	Satishkumar B C, Govindaraj A, Vanitha PV, Raychaudhuri A K, Rao C N R 2002 Chem. Phys. Lett. 362 301
[22]	Che R C, Peng L M, Duan X F, Chen O, Liang X L 2004 Adv. Mater. 16 401
[23]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[24]	Kresse G, Hafner J 1994 Phys. Rev. B 49 14251
[25]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15
[26]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[27]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[28]	Perdew J, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[29]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[30]	Zhang J M, Du X J, Wang S F, Xu K W 2009 Chin. Phys. B 18 5468
[31]	Jo C, Kim C, Lee Y H 2002 Phys. Rev. B 65 035420

[1]	林旖旎, 马立, 杨权, 耿松超, 叶茂盛, 陈涛, 孙立宁. 径向压缩碳纳米管的电子输运性质. 物理学报, 2022, 71(2): 027301. doi: 10.7498/aps.71.20211370
[2]	陈波, 杨詹詹, 王玉楹, 王寅岗. 退火时间对Fe₈₀Si₉B₁₀Cu₁非晶合金纳米尺度结构不均匀性和磁性能的影响. 物理学报, 2022, 71(15): 156102. doi: 10.7498/aps.71.20220446
[3]	林旖旎, 马立, 杨权, 陈涛. 径向压缩碳纳米管的电子输运性质. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211370
[4]	杨剑群, 李兴冀, 马国亮, 刘超铭, 邹梦楠. 170keV质子辐照对多壁碳纳米管薄膜微观结构与导电性能的影响. 物理学报, 2015, 64(13): 136401. doi: 10.7498/aps.64.136401
[5]	侯育花, 黄有林, 刘仲武, 曾德长. 稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究. 物理学报, 2015, 64(3): 037501. doi: 10.7498/aps.64.037501
[6]	曹永泽, 王强, 李国建, 马永会, 隋旭东, 赫冀成. 强磁场对不同厚度Fe-Ni纳米多晶薄膜的生长过程及磁性能的影响. 物理学报, 2015, 64(6): 067502. doi: 10.7498/aps.64.067502
[7]	黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
[8]	曹永泽, 李国建, 王强, 马永会, 王慧敏, 赫冀成. 强磁场对不同厚度Fe80Ni20薄膜的微观结构及磁性能的影响. 物理学报, 2013, 62(22): 227501. doi: 10.7498/aps.62.227501
[9]	魏杰, 陈彦均, 徐卓. 多铁性BiFeO3纳米颗粒的尺寸依赖磁性能研究. 物理学报, 2012, 61(5): 057502. doi: 10.7498/aps.61.057502
[10]	易勇, 李恺, 丁志杰, 易早, 罗江山, 唐永建. Ni4PrB的电子结构和磁性能研究. 物理学报, 2011, 60(10): 107502. doi: 10.7498/aps.60.107502
[11]	易勇, 丁志杰, 李恺, 唐永建, 罗江山. Ni4NdB电子结构和磁性能第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(9): 097503. doi: 10.7498/aps.60.097503
[12]	王益军, 王六定, 杨敏, 刘光清, 严诚. 分层掺B和吸附H2O碳纳米管的结构稳定性及电子场发射性能. 物理学报, 2010, 59(7): 4950-4954. doi: 10.7498/aps.59.4950
[13]	王利光, 张鸿宇, 王畅, Terence K. S. W.. 嵌入锂原子的zigzag型单壁碳纳米管的电子传导特性. 物理学报, 2010, 59(1): 536-540. doi: 10.7498/aps.59.536
[14]	张丽娟, 胡慧芳, 王志勇, 魏燕, 贾金凤. 硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究. 物理学报, 2010, 59(1): 527-531. doi: 10.7498/aps.59.527
[15]	向军, 宋福展, 沈湘黔, 褚艳秋. 一维Ni0.5Zn0.5Fe2O4/SiO2复合纳米结构的制备及其磁性能. 物理学报, 2010, 59(7): 4794-4801. doi: 10.7498/aps.59.4794
[16]	辛浩, 韩强, 姚小虎. 单、双原子空位缺陷对扶手椅型单层碳纳米管屈曲性能的不同影响. 物理学报, 2008, 57(7): 4391-4396. doi: 10.7498/aps.57.4391
[17]	李健, 宋功保, 王美丽, 张宝述. Ti1－xCrxO2±δ体系的相关系、晶体结构和磁性能研究. 物理学报, 2007, 56(6): 3379-3387. doi: 10.7498/aps.56.3379
[18]	张助华, 郭万林, 郭宇锋. 轴向磁场对碳纳米管电子性质的影响. 物理学报, 2006, 55(12): 6526-6531. doi: 10.7498/aps.55.6526
[19]	张华, 陈小华, 张振华, 邱明, 许龙山, 杨植. 接枝羧基的有限长碳纳米管电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2006, 55(6): 2986-2991. doi: 10.7498/aps.55.2986
[20]	朱明刚, 李卫, 董生智, 李岫梅. Ga替代对纳米晶Nd(Fe,Co)B黏结磁体磁性能的影响. 物理学报, 2001, 50(8): 1600-1604. doi: 10.7498/aps.50.1600

计量

文章访问数: 9233
PDF下载量: 795
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板