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学报
第３８卷第４期２０１６年７月
沈 阳 工 业 大 学 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ３８Ｎｏ ４Ｊｕｌ ２０１６
收稿日期：２０１５－１１－０２．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７１０４９）．
作者简介：刘贵立（１９６３－），男，山东济宁人，教授，博士，主要从事建筑结构与材料可靠性、机械结构损伤与诊断等方面的研究． 本文已于２０１６－０５－１２１３∶５６在中国知网优先数字出版．网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２１．１１８９．Ｔ．２０１６０５１２．１３５６．０１０．ｈｔｍｌ
ｄｏｉ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０１６．０４．０６
拉压变形对Ｂ（Ｎ）掺杂碳纳米管Ａｌ吸附性能的影响
刘贵立，宋媛媛，姜 艳，周 爽，王天爽
（沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳１１０８７０）
摘 要：为了研究（５，５）碳纳米管的Ｂ（Ｎ）环状掺杂效应，以及拉压变形对Ｂ（Ｎ）环状掺杂碳纳米管Ａｌ吸附性能的影响，采用基于密度泛函理论的平面波赝势和广义梯度近似方法，对Ｂ（Ｎ）环状掺杂碳纳米管Ａｌ吸附模型进行了几何优化，计算了Ｂ（Ｎ）环状掺杂碳纳米管的形成能，并确定了Ａｌ原子的最稳定吸附位置．结果表明，Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）碳纳米管的结构较为稳定．Ｂ（Ｎ）环状掺杂可以增加碳纳米管与Ａｌ之间的吸附能；一定范围内的拉伸和压缩变形
则会降低碳纳米管与Ａｌ之间的大部分吸附能．
关 键 词：碳纳米管；第一性原理；掺杂；Ａｌ原子吸附；拉压变形；吸附能；密度泛函理论；几何优化
中图分类号：ＴＢ３８３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－１６４６（２０１６）０４－０３９１－０６
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
艾滋传染>你们都是我的最爱ｂｅｔｗｅｅｎＡｌａｎｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｗｉｔｈＢ（Ｎ）ｄｏｐｉｎｇ
ＬＩＵＧｕｉ ｌｉ，ＳＯＮＧＹｕａｎ ｙｕａｎ，ＪＩＡＮＧＹａｎ，ＺＨＯＵＳｈｕａｎｇ，ＷＡＮＧＴｉａｎ ｓｈｕａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔｆｏｒ（５，５）ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ（ＣＮＴ）ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｅｔｗｅｅｎＡｌａｎｄＣＮＴｗｉｔｈＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＡｌａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＣＮＴｗｉｔｈＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇｗａｓ
ｐｅｒｆｏｒｍｅｄｗｉｔｈｂｏｔｈｐｌａｎｅｗａｖｅｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｇｒａｄｉｅｎｔａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆＣＮＴｗｉｔｈＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｓｔａｂｌｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＡｌａｔｏｍｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ（５，５）ＣＮＴｗｉｔｈＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇｉｓｓｔａｂｌｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅＢ（Ｎ）ｒｉｎｇｄｏｐｉｎｇｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｂｅｔｗｅｅｎＣＮＴａｎｄＡｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｍｏｓｔａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｂｅｔｗｅｅｎＣＮＴａｎｄＡｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ（ＣＮＴ）；ｆｉｒｓｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｄｏｐｉｎｇ；Ａｌａｔｏｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ；ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙ；ｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
碳纳米管（ＣＮＴ）是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有许多特殊力学、电学和化学性
能，在纳米电子器件［１］
、纳米机械复合增强材料［２－７］及储氢材料［８－９］等众多领域取得了广泛应用．在碳纳米管增强复合材料方面，闫瑞芳等［公司员工福利方案
１０］采用挤压铸造法成功制备了ＣＮＴｓ混杂增强
２０２４Ａｌ复合材料；邓春锋等［１１］采用冷等静压热挤压方法制备了碳纳米管增强２０２４Ａｌ基复合材
料，通过ＣＮＴ表面改性（如包覆、缺陷和掺杂等）可以改善ＣＮＴ分散性差且与金属基体结合较弱
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等问题．目前对碳纳米管和石墨烯纳米带的掺杂
主要集中在Ｂ（Ｎ）掺杂上，徐慧等［１２］研究了Ｂ／Ｎ共对掺杂碳纳米管；刘贵立等旅游住宿
［１３］用第一性原理研
究了掺杂Ｎ，Ｂ和Ｓｉ的超晶格电子结构．
在ＣＮＴ与金属模拟方面，唐玉琴［
１４］
采用批式法分别研究了Ｅｕ和Ｃｕ在多壁碳纳米管上的
吸附行为；张变霞［１５］
采用密度泛函方法对铜原子
在有限长（５，５）椅型碳纳米管的吸附行为进行了
研究；张国英等［１６］在介观尺度研究了ＣＮＴ增强
Ａｌ晶粒的电子结构．本文基于密度泛函理论的第
一性原理，计算了Ｂ（Ｎ）原子环状掺杂的形成能，还对环状掺杂Ｂ和Ｎ的（５，５）碳纳米管不同位置上Ａｌ原子的吸附在无变形和拉压变形下进行了几何优化以及能量计算．
１ 理论模型与计算方法
本文基于密度泛函理论，利用软件ＡｃｃｌｅｒｙｓＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ中的ＣＡＳＴＥＰ模块对吸附金属Ａｌ
原子前后的（５，５）ＣＮＴ体系进行结构优化和总能量计算．纯ＣＮＴ、掺杂ＣＮＴ以及Ａｌ原子吸附的模型如图１所示．由于金属Ａｌ晶体中Ａｌ原子间距最小为０ ２８６ｎｍ，为了避免Ａｌ原子之间的作用对吸附能计算的影响，采用两个重复单元为一周
期，其中Ａｌ间最小距离为０ ４９２ｎｍ，符合要求．计算交换关联势采用广义梯度近似（ＧＧＡ）修
正的ＰＷ９１泛函，价电子波函数的截止能量设置为
３４０ｅＶ，几何优化过程中收敛精度为１ ０×１０－６
ｅＶ，作用在每个原子上的压力不大于０ ０３ｅＶ／Ａ，晶体内应力不大于０ ０５ＧＰａ，布里渊区Ｋ点设置为１×１×１０．
拉伸和压缩模型是在图１ｃ模型的基础上，固定底层原子，对第二至四层原子分别均匀施加轴
向拉伸或压缩位移荷载，对不同Ａｌ吸附位置的模型采用第一性原理计算软件ＡｃｃｌｅｒｙｓＭａ
ｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ中ＣＡＳＴＥＰ模块进行几何优化和能量计算．本文拉伸总变形分别取０ ０１５、０ ０３、０ ０４５和０ ０９ｎｍ；压缩总变形分别取０ ０１５、０ ０３、０ ０４５和０ ０９ｎｍ．
２ 结果分析与讨论
２ １ 硼氮环状掺杂对（５，５）ＣＮＴ的影响
为了分析Ｂ（Ｎ）环状掺杂对碳纳米管稳定性的影响，计算了（５，５）掺杂碳纳米管的总能量，并计算了Ｂ（Ｎ）环状掺杂碳纳米管的形成能，形成能表示为
图１ 碳纳米管模型Ｆｉｇ １ ＭｏｄｅｌｆｏｒＣＮＴ
Ｅｆ＝Ｅｔ１－ｌ－ｍ－ｎ
ｌ
Ｅｔ２－ｍＥｘ－ｎＥｙ
（１）
式中：Ｅｔ１为碳纳米管掺杂或者引入缺陷后的总能量；Ｅｔ２为未掺杂碳纳米管的总能量；Ｅｘ为掺杂Ｂ原子的单个原子能量；Ｅｙ为掺杂Ｎ原子的单个原子能量；ｌ为晶胞的总原子数；ｍ为掺杂Ｂ原子数；ｎ为掺杂Ｎ原子数．ｍ与ｎ均为５，计算过程中硼氮原子的能量是不变的，分别是－７０ ４９０５ｅＶ和－２６２ ６９６３ｅＶ．计算得出硼氮环状掺杂碳纳米管的形成能为－７９ ３８４３１５ｅＶ，说明硼氮环状掺杂是能量减少的过程，需要放出能量．
Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）ＣＮＴ优化结构后，Ｂ—Ｃ键增大约４ ２％，Ｎ—Ｃ减小０ ５％，Ｂ—Ｎ键增大２ ６％，Ｃ—Ｃ键减小０ ９９％，键长和键角发生了一些微小变化，但掺杂Ｂ、Ｎ不影响ＣＮＴ石墨壁六元环结构．
２ ２ 掺杂Ａｌ对ＣＮＴ表面吸附结构的影响
首先在吸附前对（５，５）ＣＮＴ进行优化，在整个
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过程中体系能量呈下降趋势，最终收敛构型中Ｃ—Ｃ键长约在０ １４１５～０ １４２ｎｍ之间，与文献［１７］中的Ｃ—Ｃ键长在０ １４２２～０ １４２７ｎｍ之间很接近，最大误差仅为０ ８％，证明计算结果是可靠的．（５，５）ＣＮＴ模型中Ａｌ原子可能吸附于ＣＮＴ外壁的初始位置有１６种，如图２所示
．
图２ Ａｌ原子的初始吸附位置
怎么清理手机缓存Ｆｉｇ ２ ＩｎｉｔｉａｌａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＡｌａｔｏｍｓ
图２中虚线内为最小循环周期，１，２，３位于石墨六边形单元中心上方，４，５，６，７，８，９位于原子上方，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６位于Ｃ—Ｃ键、Ｃ—Ｎ键、Ｃ—Ｂ键或Ｎ—Ｂ键中心上方．Ａｌ—Ｃ初始键长设为０ １８８ｎｍ，Ａｌ—Ｂ和Ａｌ—Ｎ键长初值分别设定为０ １８２和０ １８５ｎｍ．
原子吸附能Ｅａ定义为
Ｅａ＝ＥＴ＋ＥＡ－ＥＡ
Ｔ
（２）
式中：ＥＴ为Ｂ（Ｎ）环状掺杂ＣＮＴ的总能；ＥＡ为单秉性
个吸附原子Ａｌ的能量；ＥＡ
Ｔ为吸附Ａ
ｌ原子后Ｂ（Ｎ）环状掺杂ＣＮＴ的能量．
通过对吸附Ａｌ的ＣＮＴ体系优化获得总能量，并计算得到的吸附能为１ ２４～１ ４２ｅＶ，而吸附Ａｌ的Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）ＣＮＴ的１６种位置的吸附能计算结果如表１所示．
除１０号初始位置外吸附能均大于０ｅＶ，反应
可以进行．根据吸附能大小及Ａｌ原子最终收敛位置可以将初始吸附位置分为三类，如图３所示．
吸附能较大的点２，３，６，８，１２，１５为Ａ类，最终稳定位置为图中Ａ范围，偏离中心０ ０１９４ｎｍ，
表１ 不同Ａｌ初始位置的吸附能
Ｔａｂ １ ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＡｌｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
Ａｌ
位置点吸附能ｅＶ原始位置（笛卡尔坐标系）ｘ／ｎｍｙ／ｎｍｚ／ｎｍ
现位置（笛卡尔坐标系）
ｘ／ｎｍｙ／ｎｍｚ／ｎｍ位置改变（笛卡尔坐标系）ｘ／ｎｍｙ／ｎｍｚ／ｎｍ１１ １３７－０ ４９５０ ４２８１ ８３０
－９ ９８６－２ ８２８４ ２６９－９ ４９１－３ ２５６２ ４４０２１ ４１９－０ ４９５
０ ４２８
４ ２６９
－１０ ０７２－２ ５７８１ ８３０－９ ５７７－３ ００７－２ ４４０
３１ ４８１－０ ７２７３ ６８１３ ０４９
－１０ ０９０－２ ５０５３ ０５２－９ ３６３－６ １８６０ ００３４１ ２０３－０ ８８８２ ７８５１ ８３０
－１０ ０５４－２ ７１０４ ２６９－９ １６６－５ ４９５２ ４４０５０ ９７５０ ８５３－１ ５０８１ ８３０
－７ ２３８－７ ５７１４ ２８２－８ ０９１－６ ０６３２ ４５２６１ ４７０－０ ８３７
１ ２７３３ ０４９－１０ ０８６－２ ５２３１ ８３０－９ ２４９－３ ７９５－１ ２１９７１ ３８１－０ １３６－０ ４００３ ０４９
接引殿－７ １４０－７ ４１７４ ２９０－７ ００４－７ ０１７１ ２４０８１ ４４０－０ ９４７２ ７９４４ ２６９
－１０ ０８１－２ ４８４１ ８３０－９ １３３－５ ２７８－２ ４３９
９１ ３４７０ ８３４－１ ５３２
４ ２６９－７ ３６２－７ ３９７４ ２９３－８ １９６－５ ８６６０ ０２４１０－０ ５２９－０ ４９７０ ４３５３ ０４９－９ ０９３－４ ２００４ ２７４－８ ５９６－４ ６３５１ ２２４１１１ ２０３－０ ７３０３ ６７０１ ８３０－１０ ０７２－２ ７１２４ ２６９－９ ３４３－６ ３８２２ ４４０１２１ ４６９－０ ７３０３ ６７０４ ２６９－１０ ０５９－２ ５１３１ ８３０－９ ３３０－６ １８３－２ ４４０
１３１ １９３－０ ９３６２ ０２８２ ４４０－１０ ０６６－２ ５９４４ ２７５－９ １２９－４ ６２２１ ８３５１４１ ４１３０ ３１６－０ ９９０２ ４４０－７ １５２－７ ４５６４ ２６９－７ ４６８－６ ４６６１ ８３０１５１ ４５３－０ ９３６
２ ０２８
３ ６５９－１０ ０８８－２ ５０２２ ３３０－９ １５２－４ ５３０－１ ３２９
沙巴岛１６
１ ３６９
０ ３１６－０ ９９０
３ ６５９
－７ １５３
－７ ４５８
４ ３０５
－７ ４６９
－６ ４６９
０ ６４５
Ｂ（Ｎ）的掺杂使（５，５）ＣＮＴ对Ａｌ原子的吸附能有所提高；吸附能较小的点５，７，９，１４，１６为Ｂ类，最终稳定位置为图中Ｂ范围，偏离中心０ ０２６０６ｎｍ，Ｂ（Ｎ）的掺杂使（５，５）ＣＮＴ对Ａｌ原子的吸附能基本没有提高；吸附能再小的点１，４，１１，１３为Ｃ类，
最终稳定位置为图中Ｃ范围，偏离中心０ ０１５２４ｎｍ，Ｂ（Ｎ）的掺杂使（５，５）ＣＮＴ对Ａｌ原子的吸附能降低．吸附能最高的Ａ类原子位置最终稳定在距离Ｂ（Ｎ）掺杂环较远的碳环中心偏向Ｂ原子的上方，Ａｌ在Ａ范围形成具有较高吸附能的稳定结构，在
３
９３第４期 刘贵立，等：拉压变形对Ｂ（Ｎ）掺杂碳纳米管Ａｌ吸附性能的影响
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图３ Ａｌ原子的稳定吸附位置分类Ｆｉｇ ３ Ｓｔａｂｌｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏ
ｎｓｏｆＡｌａｔｏｍｓ
Ｂ，Ｃ范围形成具有较低吸附能的亚稳定结构．总之，从吸附前后的吸附能及几何构型来看，环状掺杂Ｂ（Ｎ）有助于提高Ａｌ在ＣＮＴ外壁的吸附能．
２ ３ 拉伸和压缩对Ａｌ在掺杂ＣＮＴ表面的影响
基于建立的拉伸和压缩模型，选取部分Ａ，Ｂ，Ｃ三类吸附能较大的Ａｌ原子吸附位置进行结构优化和能量计算，计算结果如表２～４所示．
Ａ类和Ｂ类初始Ａｌ吸附位置的模型在拉伸（５，５）ＣＮＴ０ ０１５～０ ０９ｎｍ的情况下，吸附能均减小，并且Ａｌ原子在ＣＮＴ外壁最终稳定位置基本不变．其中Ｂ类初始Ａｌ吸附位置吸附能减小０ ３１～０ ３５ｅＶ，吸附能减小约２３％～２５％；Ａ类初始Ａｌ吸附位置吸附能减小０ ２６～０ ２７ｅＶ，吸
表２ 不同拉伸和压缩长度下的吸附能
Ｔａｂ ２ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｌｅｎｇｔｈｓ
ｅＶ
Ａｌ位置点能量变化拉伸
０ ０１５ｎｍ拉伸
０ ０３ｎｍ拉伸
０ ０４５ｎｍ
拉伸０ ０９ｎｍ
压缩０ ０１５ｎｍ
压缩
０ ０３ｎｍ
压缩
０ ０４５ｎｍ压缩
０ ０９
ｎｍ３－０ ２７４７２－０ ２７４７１－０ ２７４６７－０ ２７４８４－０ ２７４７８－０ ２７４７６－０ ２７４７１－０ ２７４７６４－０ ２５７９９－０ ２５７２８－０ ２５９０００ ００３３３－０ ２６１９８－０ ２６１６９－０ ２６１７１－０ ２８８７０５０ ０８３９７
０ ０８４１６
０ ０８４１１
０ ０８３７３－０ ２３９５６
０ １０５３５
０ １０６０１
０ １０５１４
６－０ ２６３６１－０ ２６３６４－０ ２６３５８－０ ２６３５０－０ ２６３４５－０ ２６３５０－０ ５３１２９－０ ５２４６４
８－０ ２３３１６－０ ２３３４２－０ ２３３３９－０ ２３３５３－０ ２３３３１－０ ２３３７６－０ ２３３２９－０ ２３３３２１１－０ ２５９９３－０ ２６５１１－０ ２６１０５
０ ００３４３－０ ２６０６４－０ ２８９３９
０ ００３８５
０ ００３８２
１２－０ ２６２７２－０ ２６２６３－０ ２６２６１－０ ２６２６９－０ ２６２７２－０ ２６２７９－０ ２６２６２－０ ２６２７７
１３－０ ２５４４２－０ ２５０５６
０ ０１４１５
０ ０１４１７－０ ２５５９１－０ ２４７２１－０ ２５０６３－０ ２４７１２
１４－０ ３５４３８－０ ３５４６１－０ ３５４１６－０ ３５８４１－０ ３５５０２－０ ３５４６７－０ ３５４６９－０ ３５４５９１６
－０ ３１０２３－０ ３１０５５－０ ３１０４１－０ ３１０５５－０ ３１０６０－０ ３１０１９－０ ３１０４５－０ ３１０２６
表３ 不同拉伸长度下Ａｌ的最终稳定吸附位置
Ｔａｂ ３ ＦｉｎａｌｓｔａｂｌｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＡｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｎｓｉｌｅｌｅｎｇｔｈｓ
ｎｍ
Ａｌ
位置点
拉伸０ ０１５ｎｍｘ
ｙ
ｚ
拉伸０ ０３ｎｍｘ
ｙ
ｚ
拉伸０ ０４５ｎｍｘ
ｙ
ｚ
拉伸０ ０９ｎｍｘ
ｙ
ｚ
３－１０ １５４－２ ５０５７ ８７９－１０ １５４－２ ５０５１２ ７５８－１０ １５４－２ ５０６１７ ６３７－１０ １５４－２ ５０５２２ ５１６４－１０ ０８６－２ ７４７８ ８７９－１０ ０７６－２ ７５９１３ ７５８－１０ ０８３－２ ７３５１８ ６３７－１０ １５４－２ ５０５２３ ５１６５
－７ １９６－７ ２８５９ ８７９
－７ １９７－７ ２８７１４ ７５８
－７ １９７－７ ２８８１９ ６３７
－７ １９０－７ ２８１２４ ５１６
６－１０ １５４－２ ５０６１０ ８７９－１０ １５４－２ ５０５１５ ７５８－１０ １５８－２ ５０５２０ ６３７－１０ １５８－２ ５０６２５ ５１６８－１０ １５３－２ ５０６１２ ８７９－１０ １５６－２ ５０５１７ ７５８－１０ １５５－２ ５０４２２ ６３７－１０ １５１－２ ５０５２７ ５１６１１－１０ ０９３－２ ７１４１５ ８７９－１０ １０４－２ ６１４２０ ７５８－１０ ０９４－２ ５２４２５ ６３７－１０ １５８－２ ５０４３０ ５１６１２－１０ １５６－２ ５０６１６ ８７９－１０ １５５－２ ５０５２１ ７５８－１０ １５５－２ ５０５２６ ６３７－１０ １５３－２ ５０５３１ ５１６１３－１０ １０１－２ ５５６１７ ８７９－１０ ０９２－２ ５２８２２ ７５８－１０ １５５－２ ５０５２７ ６３７－１０ １５５－２ ５０５３２ ５１６１４－７ １９２－７ ２８４１８ ８７９－７ １９２－７ ２８３２３ ７５８－７ １９５－７ ２８３２８ ６３７－７ １８４－７ ２６６３３ ５１６１６
－７ １９８－７ ２８４２０ ８７９
－７ １９６－７ ２８１２５ ７５８
－７ １９６－７ ２８４３０ ６３７
－７ １９４－７ ２８０３５ ５１６
４９３沈 阳 工 业 大 学 学 报 第３８卷
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表４ 不同压缩长度下Ａｌ的最终稳定吸附位置
Ｔａｂ ４ ＦｉｎａｌｓｔａｂｌｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＡｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｌｅｎｇｔｈｓ
ｎｍ
Ａｌ
位置点
压缩０ ０１５ｎｍｘ
ｙ
ｚ
压缩０ ０３ｎｍ
ｘ
ｙ
ｚ
压缩０ ０４５ｎｍｘ
ｙ
ｚ
压缩０ ０９ｎｍ
ｘ
ｙ
ｚ
３－１０ １５２－２ ５０７７ ８７９－１０ １５５－２ ５０７１２ ７５８－１０ １５４－２ ５０５１７ ６３７－１０ １５３－２ ５０５２２ ５１６４－１０ ０８０－２ ７５４８ ８７９－１０ ０６９－２ ７６３１３ ７５８－１０ ０７７－２ ７５７１８ ６３７－１０ ０８３－２ ６４１２３ ５１６５
－７ １９５－７ ５６０９ ８７９
－７ ２１８－７ ４５８１４ ７５８
－７ ２０６－７ ４７１１９ ６３７
－７ ２１９－７ ４５６２４ ５１６
６－１０ １５４－２ ５０４１０ ８７９－１０ １５７－２ ５０２１５ ７５８－１０ ０９７－２ ５４８２０ ６３７－１０ ０７８－２ ７５０２５ ５１６
８－１０ １５７－２ ５０４１２ ８７９－１０ １５７－２ ５０５１７ ７５８－１０ １５４－２ ５０４２２ ６３７－１０ １５４－２ ５０６２７ ５１６
１１－１０ ０７０－２ ７６４１５ ８７９－１０ ０８５－２ ６２７２０ ７５８－１０ １５５－２ ５０５２５ ６３７－１０ １５６－２ ５０３３０ ５１６１２－１０ １５４－２ ５０４１６ ８７９－１０ １５３－２ ５０６２１ ７５８－１０ １５３－２ ５０６２６ ６３７－１０ １５４－２ ５０５３１ ５１６１３－１０ １０９－２ ６２８１７ ８７９－１０ ０８５－２ ７４５２２ ７５８－１０ １００－２ ７０１２７ ６３７－１０ ０７６－２ ７５９３２ ５１６１４－７ １９３－７ ２８１１８ ８７９－７ １９７－７ ２８５２３ ７５８－７ ２００－７ ２８９２８ ６３７－７ １９９－７ ２８３３３ ５１６１６
－７ １９５－７ ２７８２０ ８７９
－７ １９８－７ ２８４２５ ７５８
－７ １９６－７ ２８１３０ ６３７
－７ １９８－７ ２８５３５ ５１６
附能减小大约１７％～１９％；Ｃ类初始Ａｌ吸附位
置模型在拉伸（５，５）ＣＮＴ０ ０１５～０ ０３ｎｍ时，吸
附能减小０ ２５～０ ２６ｅＶ，拉伸到０ ０４５ｎｍ时，位置１３处吸附能基本不变，拉伸到０ ０９ｎｍ时，Ｃ类初始Ａｌ吸附位置处的吸附能均基本不变，并且所有原子的最终稳定位置与Ａ类相同．综上所述，对Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）ＣＮＴ一定范围内的拉伸会引起吸附能较强的吸附位置Ａｌ原子在掺杂ＣＮＴ表面吸附能降低，并且稳定位置基本不变；而在吸附能较弱的吸附位置的Ａｌ原子在掺杂ＣＮＴ表面吸附能有所提高，并且引起稳定位置向强吸附能的位置转移．
Ｂ类初始Ａｌ吸附位置模型在压缩（５，５）ＣＮＴ０ ０１５～０ ０９ｎｍ的情况下，吸附能减小０ ３１～０ ３５ｅＶ，吸附能减小约２３％～２５％，并且Ａｌ原子在ＣＮＴ外壁最终稳定位置基本不变，与拉伸情况相似；压缩情况下，Ｃ类吸附位置除１１点外吸附能减小０ ２５～０ ２６ｅＶ，吸附能减小约２１％～２２％，１１点处随着压缩量的增加，吸附能由减小０ ２６ｅＶ提高到基
本不变，稳定位置基本不变；Ａ类吸附位置除６点外吸附能减小０ ２３～０ ２７ｅＶ，吸附能减小约１６％～１８％，６点处随着压缩量的增
加，吸附能由减小０ ２６ｅＶ降低到减小０ ５３ｅＶ．综上所述，对Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）ＣＮＴ一定范围内的压缩会引起大部分初始Ａｌ吸附位置吸附能的降低．
３ 结 论
基于密度泛函理论的第一性原理，研究了
Ｂ（Ｎ）原子环状掺杂（５，５）ＣＮＴ的掺杂效应，计算了其形成能，并对计算结果进行了分析．结果表
明：Ｂ（Ｎ）环状掺杂（５，５）ＣＮＴ的形成能是负值，说明掺杂是能量减少的过程，需要放出能量，所以反应可以进行，Ｂ（Ｎ）原子环状掺杂（５，５）ＣＮＴ可以稳定存在．
研究了Ａｌ原子在掺杂Ｂ（Ｎ）（５，５）ＣＮＴ表面吸附的结构及吸附能，结果表明，在离Ｂ（Ｎ）掺杂环最远的原子环上，是Ａｌ可以较稳定结合的位置．Ｂ（Ｎ）原子环状掺杂（５，５）ＣＮＴ可以改善Ａｌ与ＣＮＴ的结合．
在拉伸和压缩情况下的研究结果表明，一定范围内的拉伸会引起吸附能较强的Ａｌ原子在掺杂ＣＮＴ表面吸附能的降低，并且稳定位置基本不变；而在吸附能较弱的Ａｌ原子在掺杂ＣＮＴ表面吸附能有所提高，并且引起稳定位置向强吸附能位置转移．
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５
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