7、单壁碳、碳化硅和氮化碳纳米管的构型优化与光物理模拟

单壁碳、碳化硅和氮化碳纳米管的构型优化与光物理模拟

1. 引言

碳纳米管（CNTs）自1991年被发现以来，因其独特的物理性质，引起了科学家和技术人员的广泛关注。这些特性可能会对科学和技术的广泛领域产生影响，从用于成像的探针尖端到超灵敏气体传感器。单壁碳纳米管（SWCNTs）根据其直径和螺旋度的理论计算，可呈现出金属或半导体行为，这一特性使其与其他纳米线材料有所区别。

在本世纪初，超小半径的SWCNTs在惰性AlPO₄ - 5沸石通道内成功生长，其直径分布约为4 Å。由于可能的纳米管手性减少到三种：(3, 3)、(5, 0)和(4, 2)，这些纳米管的吸收光谱可以通过实验和理论进行研究。此外，CNTs的非线性光学（NLO）特性也备受关注，不仅因为非线性光谱能提供其电子结构的信息，还因为非线性材料可应用于光学设备。具有大三阶非线性极化率的NLO材料在光学透明区域对于全光开关、调制和计算设备是必不可少的。具有大三阶光学极化率的非线性吸收材料可用于光限幅器和可调滤波器。

除了纯CNTs，还有非碳或部分碳的纳米管。例如，2002年合成的一维碳化硅纳米管（SiCNTs），有望比CNTs具有优势，如高表面反应性和高温稳定性，理论上也更适合用于储氢。此外，通过掺杂外来原子可以改变纳米管的性质，氮化碳纳米管（CNNTs）由于其高比表面积和表面极性C - N键，可能比传统CNTs有更广泛的应用。

2. 有限开放单壁碳纳米管 (n, n)（n = 3 - 6）

2.1 计算方法和模拟程序

• 几何构型优化 ：基于密度泛函理论（DFT），在B3LYP/6 - 31G*水平下，使用GAUS