硅纳米管在新能源领域中的应用研究进展与展望

硅纳米管独特的物理和化学性质使其有望在新能源领域中有巨大的潜在作用,但关于其在新能源领域中的应用报道相对较少。本文综述了关于硅纳米管在锂离子电池、太阳能电池、规模储能及节约能源等方面的应用研究进展,详细介绍了孔隙、薄壁、涂层及壳层等对硅纳米管在锂离子电池应用中的影响,以及未来在热管理、燃料电池和柔性电池等新能源领域中应用的发展趋势,总结了其在应用和发展中亟待解决的主要问题,提出了可能解决这些问题的方法;以便对硅纳米管在未来的新能源领域应用和研究开发中有帮助。

硅纳米管的各种应用研究进展

硅纳米管是一种新型的一维纳米材料,对未来的科技发展具有重要作用。目前的报道多主要集中于硅纳米管的应用,较少有综述类关于硅纳米管各种应用的研究进展。本文综述了最近关于硅纳米管在电子学领域、纳米器件领域、生物医学领域及能源领域等方面的最新应用和发展前景,并且提出了几种关于硅纳米管在未来发展中可能会应用到的方向。通过本文对硅纳米管最新的研究叙述,希望能对硅纳米管在未来的应用和研究中有所帮助。

硅纳米管的掺杂研究进展

硅纳米管具有优异的化学和物理性质,这使其很有希望在生物表征、锂电池、纳米电子器件、纳米药物输送、晶体管、传感器、纳米磁性器件、储氢、场发射显示器件以及光电子器件等领域上发挥出巨大的潜在作用。尽管硅纳米管的成功制备解决了国际上理论预测存在而在实验上一直未能合成的难题,但是目前关于硅纳米管的各种性能,特别是其掺杂性能还没有得到充分研究,所以关于硅纳米管的掺杂报道,特别是综述类报道相对较少。介绍了最近关于硅纳米管的各种掺杂研究以及各种掺杂硅纳米管的潜在应用,并总结了硅纳米管各种掺杂的优缺点,对进一步研究硅纳米管的掺杂性能提出了我们的观点,希望能为将来硅纳米管的各种掺杂研究有所帮助。

碳、碳化硅及硅纳米管熔化与压缩特性的分子动力学研究

采用Tersoff势的分子动力学方法,模拟了(5,5)型单壁碳、碳化硅及硅纳米管的熔化与轴向压缩过程,得到了不同温度下各纳米管的形态、原子径向分布、能量变化以及压缩力-应变曲线。进而,根据模拟结果,分析了它们熔化与压缩特性的差异。研究表明,碳、碳化硅及硅纳米管的熔点分别为6300、5600和2250K左右,它们熔化后分别呈现为网状、疏松的不规则球状以及紧密排布的球状形态;碳、碳化硅或硅纳米管的熔点、比热,熔化热以及承压能力均有碳管>碳化硅管>硅管的排序。

硅纳米管结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,研究了(5,0)和(5,5)硅纳米管结构和电子性质。计算结果表明:(5,0)管硅原子相邻键长波动范围为0.068 nm,大于(5,5)管的0.006 nm;通过对(5,0)管的分波态密度进行分析发现,其3s电子和2p电子能量分布在-13～3 eV,但2p电子集中分布在能量较高的-6～3 eV,出现了明显的sp3轨道杂化。同时对(5,0)和(5,5)硅纳米管最高占据轨道和最低未占据轨道的能隙进行了分析,发现两种管导电性能与结构的手性相关,锯齿型(5,0)管能带交叠具有明显的金属性,而扶手型(5,5)管能隙为0.151 eV是半导体纳米管。

硅纳米管的水热法合成与表征

采用水热法成功合成了新型的硅纳米管一维纳米材料,并采用透射电子显微镜、选区电子衍射分析、能量色散光谱及高分辨透射电子显微镜对合成的硅纳米管进行了表征.研究表明硅纳米管是一种多壁纳米管,为立方金刚石结构,生长顶端呈半圆形的闭合结构,由内部为数纳米的中空结构,中部为晶面间距约0.31nm的晶体硅壁层,最外层为低于2nm的无定形二氧化硅等三部分组成.

碳锗掺杂对硅纳米管电子结构和光电性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了C/Ge掺杂对单壁扶手型硅纳米管电子结构和光电性质的影响。结果表明,本征态和C/Ge掺杂的硅纳米管均属于直接带隙半导体,其价带顶主要由Si-3p态电子构成,而导带底则主要由Si-3p态电子决定。通过C掺杂,可使硅纳米管的禁带宽度减小,静态介电常数增大,吸收光谱产生红移;而通过Ge掺杂,可使硅纳米管的禁带宽度增大,静态介电常数减小,吸收光谱产生蓝移。研究结果为硅纳米管在光电器件方面的应用提供了理论基础。

铝掺杂单壁扶手型(6,6)硅纳米管电子结构和光电性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了铝掺杂对单壁扶手型(6,6)硅纳米管电子结构和光电性质的影响。结果表明,本征态硅纳米管属于直接带隙半导体,其禁带宽度为0.42eV,而铝掺杂硅纳米管为间接带隙半导体,其禁带宽度为0.02eV。单壁扶手型(6,6)硅纳米管的价带顶主要由Si-3p态电子构成,而其导带底则主要由Si-3p态电子决定。同时通过铝掺杂,使硅纳米管的禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为硅纳米管在光电器件方面的应用提供了理论基础。

棱柱型封装Cd的硅纳米管的密度泛函理论研究

运用密度泛函方法在(U)B3LYP/LanL2DZ水平上研究了四棱柱、五棱柱、六棱柱和七棱柱型封装Cd硅纳米管的几何结构、电荷布局、能级和电偶极矩.计算结果表明,四棱柱、六棱柱和七棱柱型Cd硅纳米管的最低能结构都是自旋单重态,四棱柱和五棱柱型Cd硅纳米管畸变比较严重,已经失去管状结构.四棱柱型Cd硅纳米管的原子平均结合能最大,是这四种棱柱型Cd硅纳米管中热力学稳定性最强的.这四种棱柱型Cd硅纳米管的电荷都是由Cd原子转向Si原子的,Cd原子是电荷的施体;Si原子是电荷的受体,Cd原子与硅原子之间以共价键结合.五棱柱型Cd硅纳米管HOMO-LUMOGap最大,它的化学活性最强,而四棱柱型Cd硅纳米管的HOMO-LUMO能隙最小,它的化学稳定性最强,不易和其他物质发生化学反应.四棱柱型Cd硅纳米管的总电偶极距为零,该结构是非极性的,而五棱柱、六棱柱和七棱柱型Cd硅纳米管是极性的,且五棱柱型Cd硅纳米管的极性最强.

拉伸变形对硅纳米管电子结构和光学性能的影响

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序,对单壁手扶椅型(6,6)硅纳米管施加不同程度的拉伸变形,研究其电子结构和光学性质。研究发现,拉伸变形使得硅纳米管的Si-Si键长增加,布居数减小,稳定性降低。拉伸变形过程中,导带底的电子明显向低能区偏移,而价带顶的电子向高能区移动,从而能隙宽度减小。同时,由于共价键对价带电子的束缚度降低,价电子更容易受激发向导带跃迁。拉伸变形能够增大硅纳米管的静态介电常数和实数部的吸收宽度,并使介电函数虚数部在低能区发生红移,从而硅纳米管的能隙宽度减小。在近紫外光波段,红外和可见光波段硅纳米管的发光效率随拉伸变形量的增加而提高。研究结果为硅纳米管在光电器件的应用提供理论基础。

硅纳米管的研究进展

元素硅是sp^3杂化，而不是易于形成石墨管状结构的sp^2杂化，所以具有这种sp^3杂化键的物质难于形成中空一维硅纳米材料，即硅纳米管。综述了硅纳米管及性能的理论研究，同时论述了采用模板法合成硅纳米管的最新实验进展情况，指出了目前硅纳米管的研究中需要解决的一些问题，并展望了发展。

硅纳米管的稳定性及性能的理论研究

硅纳米管(S iNTs)是一种继碳纳米管(CNT)和硅纳米线(S iNW s)之后的全新一维纳米材料。文中介绍了硅纳米管理论研究的最新进展,主要从理论上对硅纳米管的稳定性、稳定存在的形式及其性能,包括导电性能、热稳定性能、机械性能等进行了综述,最后,探讨了硅纳米管的发展前景并提出展望。

加氢单壁硅纳米管的热稳定性与拉伸力学特性

采用Tersoff势的分子动力学方法,研究外部加氢及内/外加氢单壁硅纳米管的热稳定性与拉伸力学特性,进而将两种单壁硅管与(14,14)碳纳米管的拉伸特性进行对比.研究结果表明:①外部加氢和内/外加氢单壁硅管的"骨架"结构近似于单晶硅的{110}晶面,两种硅管分别只能在低于150 K和75 K的温度下稳定存在;②外部加氢以及内/外加氢硅管硅的抗拉强度分别为4.0和1.2 GPa,断裂应变(抗拉强度对应的应变)分别为35%和32%,均远小于(14,14)碳管的抗拉强度和断裂应变.

硅纳米管制备及应用概述

硅纳米管(SiNTs)作为一种具有独特一维中空结构的新兴材料,在锂电池、氢存储及纳米药物传输等众多领域具有广阔的应用前景,是目前极具吸引力的研究对象。简要叙述了SiNTs的理论结构、传统模板法(牺牲模板法)和无模板法结合单一或复合物理化学过程的合成策略,以及其他方法制备独特结构SiNTs阵列在现代材料中的优势。

无限长封装过渡金属Cd的棱柱型硅纳米管的理论研究

运用密度泛函理论的UB3LYP/LanL2DZ方法研究了无限长封装过渡金属Cd的棱柱型硅纳米管,并讨论了它们的总能量、原子平均结合能、Mulliken原子净布局、HOMO-LUMO能隙以及电偶极距.计算结果表明无限长封装Cd的四棱柱型硅纳米管基本保持管状结构,而相应的五棱柱型则发生严重畸变.它们的最低能结构都是自旋单重态.无限长封装Cd的五棱柱型硅纳米管中所有Cd原子的Mulliken原子净布局都为正,说明电荷是从Cd原子向Si原子转移,Cd原子是电荷的施体.而有趣的是相应的四棱柱型硅纳米管里两端的Cd原子的Mulliken原子净布局为正,即Cd原子是电荷的施体,但是中间的Cd原子的的Mulliken原子净布局却为负,即电荷由Si原子向Cd原子转移,Cd原子是电荷授体,Si原子是电荷的授体,出现了电子反转.计算的HOMO-LUMO能隙说明无限长封装Cd硅纳米管中五棱柱HOMO-LUMO能隙小于四棱柱型的HOMO-LUMO能隙,说明无限长五棱柱型Cd-Si纳米管的化学活性大于相应的四棱柱型Cd-Si纳米管,且它们的HOMO-LUMO能隙均小于1.5 eV,说明它们具有半导体特性.计算的电偶极矩结果显示,无限长封装Cd的硅纳米管中,五棱柱型的硅纳米管的电偶极距为2.084 Debye,而四棱柱型的电偶极距却为零,说明无限长封装Cd的硅纳米管中四棱柱型的是非极性的,而五棱柱型的则是极性的.

硅纳米管的理论及制备研究进展

硅纳米管在晶体管等纳米电子器件、传感器、场发射显示器件、纳米磁性器件及光电器件、储氢及电化学等领域有着广阔的应用前景。综述了近年来硅纳米管在储氢能力、热稳定性、量子限制行为及力学性能等理论方面的研究成果,以及采用水热法、模板法、电化学溶液沉积过程、化学气相沉积法、热蒸发、电弧法及激光烧蚀等方法制备单晶、多晶及非晶硅纳米管的最新研究进展,并提出了硅纳米管可能的研究方向。

硅纳米管的研究进展

综述了硅纳米管结构和性能的理论研究和潜在的应用。调研了近年来硅纳米管的理论研究和制备方法的研究进展。调研结果显示在近似条件下,硅纳米管可稳定存在。它独特的性质可望用于量子计算机、纳米导线等方面。因此,硅纳米管是未来用途非常广泛的一维纳米材料。

自组生长硅纳米管的合成及其稳定性

本文介绍了自组生长硅纳米管的制备,并采用5wt%的HF酸对其稳定性进行了研究。 HF酸可去除自组生长硅纳米管的氧化物外层,只剩下晶体硅纳米管。这说明制备的硅纳米管是一种稳定结构,因而对其应用研究开发成为可能。研究表明,硅纳米管的稳定性与其形成生长过程密切相关。自组生长硅纳米管在纳米器件及场发射显示屏等方面具有广泛的应用前景。

竹节状硅纳米管的制备及锂离子嵌入/脱出性能研究

应用改进的化学气相沉积法,成功地合成出一种新的竹节状硅纳米管材料.微电极循环伏安测试表明:锂离子在该硅纳米材料中可能存在两种嵌入位,即实心节部嵌入位和空心管壁嵌入位.作为锂离子电池负极材料,该材料也在一定程度上抑制了一般硅材料所面临的体积效应问题.

无限长掺杂Zn棱柱型硅纳米管的理论研究

运用密度泛函方法在(U)B3LYP/LanL2DZ水平上研究了无限长四棱柱、五棱柱和六棱柱型掺杂锌的硅纳米管的几何结构、电荷布局、能级和电偶极矩。计算结果表明,无限长四、六棱柱型Zn-Si纳米管的最低能结构均保持着基本的管状结构,五棱柱型的则畸变严重。五棱柱和六棱柱型Zn-Si纳米管的最低能结构的电子自旋多重态都为五重态,而四棱柱的为单重态。五棱柱型Zn-Si纳米管是这三种纳米管中热力学稳定性最强的。四、六棱柱型Zn-Si纳米管中电子从硅原子转向Zn原子,Zn原子充当电荷的受体,出现了电子反转现象。五棱柱型Zn-Si纳米管电子的转移方向比较复杂,Zn原子的位置不同,充当不同的电荷角色。两边的Zn原子是电荷的施体,而中间的则充当了电荷的受体。无限长掺杂Zn的五棱柱型硅纳米管的HOMO-LUMO能隙比较大,它的化学稳定性比较强。这三种纳米管呈半导体型。虽然这三种纳米管是极性的,但是五棱柱型的极性很弱。