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1、手把手教你用MaterialsStudio计算碳纳米管的能带结构Materials Studio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。Materials 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Materials Studio中的Dmol模块计算碳纳米管的能带结构。Dmol是Materials Studio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。基于内坐标的算法强健高效
2、，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Materials Studio 4.0构造不同性质的碳纳米管，以
3、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OA是碳纳米管的Chiral Vector,也就是将石墨层沿着OA方向卷曲，将O点和A点重叠。OB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OA=na1+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Build-Build Nanostructure-Single-W
4、all Nanotube，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unit 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
5、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
6、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。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 DMol3 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。
