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碳纳米管具有圆柱形的一维中空结构,而且在化学反应中,表面的化学稳定性较好,所以常常用来做为化学反应中的纳米级反应容器。在碳纳米管的约束环境中,填充的客体分子可以形成新颖的结构形态,而这些结构形态与他们常规的固体形态往往有很大的区别,具有新颖的物理,化学等特性。本文基于密度泛函理论,首次使用从头算自洽场晶体轨道法对一维C60O聚合物及其填充在单壁碳纳米管中形成的纳米豆荚结构,SiO2纳米管填充在单壁碳管中形成的新型双壁复合纳米管进行了理论研究。研究的主要内容如下: 1.实验中观测到碳管中的C60之间以头接尾的方式用呋喃环连接形成一维的共价聚合物,在本文中我们对由呋喃环按不同方式连接C60笼所形成的八种一维共价聚合物的性质进行了研究。计算结果表明,对大多数的聚合物来说,由C60O分子形成聚合物的过程在能量上是有利的。这些一维C60O聚合物的稳定性与相邻C60笼之间的呋喃环边的键型和位置有关。研究的这八个一维聚合物都是半导体。这些一维聚合物的杨氏模量值比单壁碳纳米管的值要小但是比相邻C60笼之间通过[2+2]环加成方式形成的一维C60聚合物的值要大。最稳定的聚合物的空穴和电子的迁移率值分别为:4.32x102cm2V-1s-1,21.17cm2V-1s-1. 2.实验中的一维C60O聚合物是在碳管的一维空间约束下形成的,因此我们对1中最稳定的一维C60O聚合物填充在不同大小管径和旋光性的单壁碳纳米管中所形成的纳米豆荚结构的能量,电子性质以及它们的传输性质和力学性质进行了理论研究。研究发现当一维C60O聚合物和碳管之间的距离在碳的范德华距离时,大约3.3A,纳米豆荚体系最稳定。对管径较小的纳米豆荚,(C60O)pol@(14,0),两组份之间较强的排斥力使得两组份的变形都较大,并且填充后单壁碳纳米管(SWCNT)(14,0)的导电特性改变了,由半导体性质变为了导体性质。具有较大管径的锯齿型纳米豆荚与构成它的两个组分相同,都是半导体。这些纳米豆荚的杨氏模量的值比相应的碳管都大,迁移率的范围是:102-105cm2V-1s-1,说明它们可以作为具有抵抗轴向的强拉伸力的高迁移率电子材料。 3.实验上通过高效透射电子显微镜,红外和拉曼光谱观察到H8Si8O12分子在直径范围为:1.2-1.4nm的单壁碳纳米管中可转化为SiO2纳米管。我们对由SiO2纳米管填充在一系列的锯齿型单壁碳纳米管中构成的新型复合双壁管进行了理论研究。计算表明在比较小的复合体系中,SiO2纳米管基本上位于碳管的中心轴线上,但是在比较大的体系中,SiO2纳米管偏离碳管中心,保持SiO2一侧与碳管之间在范德华距离范围。这种偏离使得碳管的结构发生了一定的变形。当两组份之间距离在范德华距离时,复合双壁管的形成过程在能量上是有利的。说明两组份之问的距离对体系的结构和稳定性有重要的影响。所有的双壁管都是半导体。计算的这些体系的杨氏模量值比相应的碳管的值大,迁移率的范围与相应碳管的数量级相同:102-104cm2V-1s-1,说明这些双壁管也有着优异的力学和传输性质。 4.对由siO2纳米管填充在一系列的扶手椅型碳纳米管(直径范围为:9.5-16.3A)中形成的双壁管进行了理论研究。同样的当碳管和SiO2纳米管之间的距离大约为3.0A,碳原子和氧原子的范德华半径之和,体系最稳定。所有的这些杂化体系都比相应的单壁碳纳米管和单独的SiO2纳米管的杨氏模量的值都大。这些复合体系保持与相应的碳纳米管相同的导体性质。计算的这些纳米管的电子迁移率值的范围与相应的碳管都为:101-102cm2V-1s-1。