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1、手把手教你用Materials Studi计算碳纳米管的能带结构Mat erials St udio是Accelrys专为材料科学领域开发的可运行于PC机上的新一代 材料计算软件，可帮助研究人员解决当今化学及材料工业中的许多重要问题。Mat erial s Studio软件采用Client/Server结构，使得任何的材料研究人员可以轻易获得与世界 一流研究机构相一致的材料模拟能力。在这里，我们将介绍如何用Mat erials St udio 中的Dmol模块计算碳纳米管的能带结构oDmol是Mat erials St udio中自带的密度泛函 (DFT )量子力学程序，可计算能带结构、态密度
2、。基于内坐标的算法强健高效，支持 并行计算。MS4.0版本中加入了更方便的自旋极化设置，可用于计算磁性体系。4.0版 本起还可以进行动力学计算。碳纳米管是1991年发现的一种新型碳结构，它是由碳原子形成的石磨烯片层卷成的 无缝、中空的管体。一般可分为单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。纳米碳管作为新型的碳 材料，其应用具有越来越广阔的天地。比如说由碳纳米管组成的纤维，具有一般材料所 不具有抗拉升能力；金属的碳纳米管，可以被用来作为场效应管之间的连接电路；碳纳 米管还可以用来做场效应发射的电极等。所有的这些应用，都基于对碳纳米管本身的力 学和电学性质的了解。下面的例子介绍如何用Mat erials St
3、 udio 4.0构造不同性质的碳纳米管，以及如 何用Dmol模块计算碳纳米管的能带结构。形象地说，碳纳米管可以想象为将一个石墨 层按照一定的法则卷曲后得到。下图中的0A是碳纳米管的Chiral Vector,也就是将石 墨层沿着0A方向卷曲，将0点和A点重叠。0B是碳纳米管沿轴向的平移矢量。碳纳米 管通常由(n,m)来表征，其意义就是0 A=nai+ma2。下图是个(4,1)的碳纳米管，图中的。 是碳纳米管的chiral angle，其取值范围在0到30度之间。我们可以通过Materials Studio中的构建碳纳米管的模块来得到任意的(n,m)的碳 纳米管。具体过程是选择菜单中的 Bui
4、ld-Build Nanostrueture-Single-Wall Nanot ube，然后在弹出来的对话框中选择你所需要的碳纳米管的(n,m)的具体数值，在此例子 中，我们选择n=8,m=0，注意，我们还选中periodic nanotube的选项，因为我们将进行的是周期性边界条件的计算。点击确定后得到如下的(8,0)碳纳米管以及其相对应的u nit cell，如下图。建立了碳纳米管的坐标后，下一步就是用Dmol模块进行能带结构的计算。首先, 我们选中刚建立的8_0.xsd,然后点击Dmol图标的Calculation选项。然后我们需要在弹出的对话框中指定计算的各种设置。除了一般的精度，基
5、组等设 置外，碳纳米管的能带计算和一般的体材料有所不同，因为其是一维无限长的管子(假 设其轴向沿着Z轴)，而在XY方向则是有限的一个截面，所以，我们选取K点的时候， 不能用通常的体材料的K点设置，如6x6x6等，而应该在XY方向仅用一个K点，而 在Z方向用比较多的K撒点。在我们的例子中，我们采用了 1x1x5的K撒点。另外， 也是由于碳纳米管的一维特性，一般人们谈论的碳管的能带，指的就是分子能级沿着K 空间Z方向的dispersion。所以我们在Properties的选项卡中，首先要勾选Band structure。 这还不够，因为Band structure的默认设置是针对体材料的，我们需要
6、点击More按钮， 手工定制我们需要的能带图的K点走向。其实碳纳米管的能带指的就是K空间沿着Z方向的能量变化，所以我们选择起始点为(0,0,0)，而终点为(0,0,0.5)。此K点走向基本上对所有的碳纳米管都适用。ScRup | 吒巾昭c Ptopwlh |匚0聞 |Ernpiy bjndhX|?4I SMftDmiTl厲” Jouocn man aooo|1 u roa o an 厲屈5SIWid Struciurt 0Ogt-iW 甲呼I E kciicn dertf EteCJGrtMEi Frequerw Fd li然后就按Run按钮，过一阵子，Dmol就完成了计算，会在工作区创建一个8_0 DMo l3 Energy的目录。选中此目录下8_0.xsd的文件，然后点击Dmol-Analysis。我们可以得到如下的(8,0)碳纳米管的能带图。放大Gamma点后，可以看到(8,0)碳 纳米管是个直接带隙的半导体纳米管，其禁带宽度约为0.016Hartree=0.5eV。由于我们 计算过程中，并没有追求精度，所以这个数值比实际稍微偏小，仅供大家参考。但是上 述的步骤，显示了如何用Materials Studio来研究碳纳米管的能带结构。匚:
