双稳态在铁、Co和倪电线在碳纳米管

文摘

封装的纳米线的碳纳米管是一种非常有效的方式保护纳米线从外部影响,氧化。此外,它允许生产严格线性链原子如果碳纳米管非常狭窄。虽然许多理论研究已经进行关于这个主题,一些考虑在佩尔斯失真的影响,使二聚链。为这个话题,我们报告基于密度泛函理论的第一原理计算铁、Co和镍纳米线封装狭窄曲折或纸上谈兵的碳纳米管。我们发现预测铁纳米线有一个最低能源配置的化学几何和深non-dimerized一个局部最小值。我们也发现公司和倪regular-spaced配置最低几何,但Co纳米线展品化学活性的当地最低配置,其能量势垒纳米管的直径和手性无关。此外我们发现纳米线的电子转移到纳米管和化学活性纳米线的磁力矩小于相应的至少50% non-dimerized的。在某些情况下存在一个消失的磁矩即使non-dimerized纳米线有一个非零值。这些发现可以帮助预测结构,电子与磁性碳纳米管和纳米线封装的深入了解有关的差异这两个几何图形的纳米线可以产生实验检测数据。

关键字

双稳态、碳纳米管、纳米线、Non-dimerized扰动、几何、曲折。

介绍

一维结构由一个线性链regular-spaced原子不稳定。降低能量,原子接近一个邻居和远离另一个,生成短和长交替债券二聚的一维晶格短期债券降低了能量比长期债券增加它。通过这种方式,其价值和晶格参数双打连锁经历着一个被称为佩尔斯变形(1]。regular-spaced格子应该是金属,但根据二阶微扰理论,这种晶格二聚作用,创造了一个能量差距在布里渊区和系统的轮廓变得半导体。佩尔斯的第一个实验观察失真是在1970年代当一个有机物质称为TTF-TCNQ,理论是一个超导体在高Tc (2),合成并观察到这种材料是绝缘体,而不是一个超导体(3]。

可以合成纳米线和纳米或事实上分辨率使用一些技术,例如电化学沉积、合成、解决方案,加氢流的气体混合物,操纵STM提示或简单的混合物的化学物质(4- - - - - -9]。然而,合成线性原子链,这种方法并不高效由于氧化以来,债券中断或超行扭曲的合成过程。最近的技术采用碳纳米管帮助合成线性纳米线,在纳米线的碳纳米管(CNT)封装,提供一个安全的环境外部因素。这个过程,这是成功地合成了纳米线的各种元素(10- - - - - -15]。在理论的角度来看,纳米线,纳米管的封装是广泛的研究在过去的几年中,在传统的计算表明,密度功能取决于纳米线,封装的降低了纳米线的总磁矩,在确定的条件下,施加径向压力的问,磁矩甚至可以消失(16- - - - - -19]。尽管这些旨在重现实验数据的计算或预测新属性,没有人考虑在封装的纳米线的佩尔斯失真。在这里,我们表明,晶格二聚扮演重要的角色在决定封装的电子和磁性纳米线。

执行这个调查,我们采用第一原理计算来确定精力充沛、电子和磁性铁、Co和镍纳米线封装曲折或纸上谈兵的碳纳米管。细节和技术信息描述的计算是在接下来的段落。主要结果报告后,其次是我们的结论。

方法

所有自旋极化的计算在这次调查是利用午睡代码,应用密度泛函理论的标准方法。Troullier-Martins范伪势在Kleinman-Bylander形式(20.- - - - - -24]。exchange-correlation潜力,我们应用参数化的广义梯度近似Perdew——Burke-Ernzerhof25]。基础设置使用double-ζ加上极化平面波与真实空间网由300。1维布里渊区被51 k-points符合Monkhorst-Pack方案(26]。最后,该系统被认为是优化时的最大原子力小于0.02 eV /。为了避免不良相互作用,在非周期方向最近的原子保持距离大于10。

系统的单位细胞以这样的方式构造两个原子的纳米线可以独立和碳环的数量问决心为了提供一个更好的comensurability原来的晶格参数之间的纳米线和碳纳米管。这个过程导致了两个(一个)原始细胞的扶手椅(锯齿形)问。纳米线的碳纳米管选择封装(n, 0)锯齿形(n, n)扶手椅和n = 4、5、6。这些碳纳米管选择由于其直径减少,保持纳米线的一条直线。

我们进行一个初始计算放松每个问和里面的纳米线。在这之后,我们应用几何约束修复所有原子的位置和不同金属原子之间的距离从0.70到3.00与0.02的增量。对于每一个距离,我们执行一个单独的计算模拟相同的标准解释。这个过程,我们确定函数的一些性质的两个原子纳米线之间的距离。

结果

我们获得能量的过程解释之前,在金属原子之间的距离的函数,如图所示图1锯齿形碳纳米管封装纳米线。结果纳米线在扶手椅上碳纳米管是相似的,这里没有显示。作为一个可以看到的图1一个,因为(电子邮件保护)存在两个能量最小值与化学活性纳米线的低配置(电子邮件保护)也表现出两个能量最小值但现在non-dimerized纳米线是最稳定的配置(图1 b)。为(电子邮件保护)的能量最低,只存在non-dimerized纳米线,如图所示图1 c。这一发现是依照以前的密度泛函计算断言严格线性的镍纳米线,没有失真(27]。

化学的能量势垒配置到non-dimerized问直径几乎是独立的,我们可以看到图1一个和1 b,估计在∼21 eV (∼18 eV)封装Fe的曲折(椅)碳纳米管和∼2电动汽车有限公司内部曲折或纸上谈兵的碳纳米管。关于铁封装,我们的研究结果预测,regular-spaced Fe纳米线在碳纳米管是有一种很深的最低能量稳定,但化学活性状态仍然是真正的最低能量。公司封装的碳纳米管,图1 b表明,问允许内的有限空间形成的佩尔斯变形纳米线,一次孤立的线性连锁有限公司只有一个能量最低配置是regular-spaced几何(27]。因此,我们预测,可以合成化学有限公司纳米线在一个狭窄的问大力保护屏障∼2 eV独立的问,问直径的合理范围。此外,图1还表明,问直径没有影响任何能量最小值的位置。这意味着封装不能增加或减少债券的长度在佩尔斯失真。对于每一个能量最小值我们没有几何约束进行优化计算。优化的结构非常相似,都可以用(电子邮件保护)问(0)(电子邮件保护)(4,4)所示图2。

后面的优化提供了一种更可靠的比较这两个能量最小值。表1显示了不同ΔE = E_化学活性- E_{non-dimerized}能量之间的两种可能的配置。在这个表中,负(正)值表明,化学活性(non-dimerized)配置更稳定。可以看到,锯齿形碳纳米铁的封装,随着直径的增加,non-dimerized配置变得更不稳定(图1一个),这并不发生在铁纳米线在扶手椅上问,一旦仍然几乎不变,直径不同的区别。锯齿形问Co纳米线的封装,行为是相反的,一个最铁的情况下,由于能量差减少随着直径的增加。再次对扶手椅碳纳米管直径ΔE几乎是相同的。我们的研究结果是同意Ataca et al。27),因为根据他们的计算,线性链,Fe展品化学几何而有限公司和倪展览一个non-dimerized和我们的研究结果表明,对于大直径,纳米线往往表现得好像是孤立的。

表1。化学活性之间的能量差(E)和non-dimerized配置,电荷转移(ΔΔq)从碳纳米管的纳米线和磁矩(μ)。Δq指数d (nd)和μ表示化学(non-dimerized)配置。的单位能量、电荷转移和磁矩是电动车,| | e和μ_B,分别。

确定如果封装纳米线的化学,实验技术,如可以使用高分辨率透射电子显微镜。根据显微镜的分辨率,化学活性纳米线的短期债券的长度不能明确确定。另一个选择是验证纳米线配置的影响碳纳米管的电子和磁特性。表1显示了电荷转移大量的纳米线,纳米管的| | e以及总磁矩μB单位。作为一个在这个表可以看到,系统有两个能量最小值,大多数化学活性纳米线更大数量的电荷转移到问与non-dimerized一相比,除了(电子邮件保护)问(0)(电子邮件保护)(4,4)。封装的镍纳米线也有类似的价值观的电荷转移与封装相比non-dimerized铁和纳米线。两个几何图形的结果之间的差异更加显著,当我们分析磁矩,也在展出表1。一次可以看到,所有的化学活性纳米线比non-dimerized磁矩小。在一些情况下μ消失时,纳米线经历了佩尔斯失真而non-dimerized配置展示一个非零的磁矩。减少最低的μnon-dimerized几何到化学活性为55%。尽可能多的理论研究已报告只有regular-spaced连锁店,他们预测有关电荷转移和特别磁矩实验可能不是一旦发现纳米线可以留在化学能量最小和我们这里显示,这些属性是有差异的,主要是关于磁的。

结论

基于密度泛函理论的第一原理计算已经完成了化学活性和non-dimerized铁、Co和镍纳米线封装狭窄曲折或纸上谈兵的碳纳米管。我们的研究结果表明,真正的能量最小封装Fe纳米线是用化学几何和non-dimerized配置仍在(深)局部能量最小。Co纳米线具有相反的行为,与铁相比封装,non-dimerized配置比化学更稳定。封装的镍纳米线表现出non-dimerized几何。化学的能量势垒几何non-dimerized被发现一个独立Fe纳米管直径的封装和独立在封装有限公司纳米线的直径和手性。所有纳米线电子转移到纳米管,一般的化学活性纳米线传输比non-dimerized,但差异并不大。最后,磁矩展品非常值降低的化学结构与non-dimerized相比。减少都大于50%,在某些情况下,磁矩消失即使non-dimerized版本的纳米线有一个非零磁矩。这些调查结果可能是有用的在一些纳米线的几何构象封装的测定碳纳米管以及预测的电子和磁特性的系统。

承认

我们要感谢Fundacao德帕罗尽管e ao Desenvolvimento Cientifico e学府做马拉尼昂(FAPEMA) Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de含量比(披肩)和慰问Nacional de Desenvolvimento Cientifico e学府(CNPq)财政支持。

引用

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