單壁BN納米管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

1、單壁BN納米管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用一、BN納米管簡介1991年，Iijima創(chuàng)造了科學(xué)領(lǐng)域的一大發(fā)現(xiàn)碳納米管。自那以后，人們便一直在不斷的努力尋找其他種類的納米管，納米管的研究已經(jīng)成為當(dāng)今納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。早在1994年Rubio等人從理論上用緊束縛分子動力學(xué)的方法預(yù)測BN納米管（Boronnitridenanotubes，以下簡稱BN-NTs）的存在。之后，1995年Chopra等人通過等離子電弧放電法首次成功的合成了BN納米管，吸引力所有科學(xué)研究人員的眼球，至此拉開了BN納米管的研究序幕，引起了研究的熱潮。BN納米管與碳納米管結(jié)構(gòu)相似，是由B-N原子以sp2雜化成鍵形成，氮化硼（BN

2、）和石墨（C）結(jié)構(gòu)相似，六邊形的氮化硼h-BN）有著與石墨一樣的層狀結(jié)構(gòu)，它們的晶胞參數(shù)（a=02504nm;c=06660nm）和石墨（a=02464nm;c=06708nm）兩者幾乎是一樣的，所以這就決定了而且BN納米管也是管狀結(jié)構(gòu)的。理論研究表明，BN-NTs與C納米管在性質(zhì)方面存在很大的差別，BN納米管的禁帶寬度約為5.5eV,還具有和C納米管一樣出色的力學(xué)性能，彈性模量約為1TPa;抗氧化溫度可達(dá)900C。而且BN納米管很可能繼承h-BN化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，這些都決定BN納米管將會是出色的結(jié)構(gòu)和功能材料。到目前為止，合成BN納米管的方法有：激光蒸發(fā)法、電弧放電法和化學(xué)氣相沉積法。拉曼

3、光譜和紅外光譜是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)最有效且方便的方法，尤其在納米材料的結(jié)構(gòu)分析表征中占有非常重要的地位，利用拉曼光譜和紅外光譜對BN納米管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并對其晶格動力學(xué)進(jìn)行分析。在應(yīng)用方面，BN納米管儲氫所需的能量比C納米管少，它的化學(xué)性質(zhì)也比C納米管穩(wěn)定，是比C納米管更有潛力的儲氫材料，還可作為納米尺度的電子器件、納米結(jié)構(gòu)的陶瓷材料等一些材料應(yīng)用上。經(jīng)過了十多年的研究，人們不僅對BN納米管結(jié)構(gòu)有了深刻的認(rèn)識，甚至還研究出了一些合成方法，但是與目前日趨成熟的C納米管相比，BN納米管無論從理論研究還是從應(yīng)用研究方面都還只是處于起步階段，有待于進(jìn)一步發(fā)展。二、BN納米管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4、研究表明，BN納米管可分為單壁和多壁兩種結(jié)構(gòu).對于單壁納米管,可將其看成由h-BN單層平面卷曲而成,不同的卷曲方式得到的結(jié)構(gòu)也不同.在h-BN平面中,B,N原子以sp2雜化后形成3個(gè)共價(jià)鍵，從而形成六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的平面，如圖1所示.;1i-I-a1,a2為平面單胞基矢，選平面中的任意一原子O作原點(diǎn),再選定另一個(gè)原子記為點(diǎn)A,從O到A的矢量為C=na1+ma2,n,m為整數(shù).將h-BN平面卷曲成一個(gè)圓筒,在卷曲過程中使O,A點(diǎn)的原子重合,這樣就形成了氮化硼納米管.其中,C稱為手性矢量，單胞基矢al的方向稱為鋸齒方向，手性矢量與鋸齒方向的夾角為手性角0.所形成的納米管可用(n,m)這對整數(shù)來表示，因

5、為這對整數(shù)一經(jīng)確定,納米管的結(jié)構(gòu)就完全確定,所以這對整數(shù)也稱納米管指數(shù).與C納米管相同,BN納米管可看成由六角層狀BN卷曲而成.如圖1所示，將圖la中的1-1,2-2z,3-3位置的原子分別相連，就形成了鋸齒型的納米管圖lb，根據(jù)與C納米管相同的命名原則，其被命名為BN(6,0)納米管圖lc是我們進(jìn)行計(jì)算時(shí)所采用的晶胞.在鋸齒型BN納米管中,B層與N層交錯出現(xiàn)，由B原子和N原子形成兩個(gè)同心的圓柱面.這兩個(gè)圓柱面有著不同的直徑DB和DN.在BN(n,0)納米管中,B和N原子形成兩類不同的BN鍵,一類是與納米管的管軸c方向平行的B(1)N鍵，用rl表示,另一類是不與c平行的B(1)N(1)鍵，用r

6、2表示.表1給出了本文計(jì)算所得的BN(3,0)BN(17,0)納米管的r1,r2,DB,DN,DN-DB和晶胞參數(shù)c,其中DN-DB為DN和DB的差值.NC.EQI層狀BN(a.)TBN軸米管“).BN抽米營趙晶胞(時(shí)示意圖FijpiricISlnit-lhirBNf里）,RHiKiituh4h）and叫仙wllndBNmmImI屮（單壁BN納米管又可以分為扶手椅型(n=m,0=30),鋸齒型(m=O,0=0)和手性納米管(0030,(n,m),如圖2所示其中鋸齒型是優(yōu)勢構(gòu)型?？茖W(xué)研究人員曾經(jīng)對單壁碳納米管的對稱性進(jìn)行了分析,描述碳納米管的空間群均為非點(diǎn)式空間群,(n,n)型扶手椅管和(n,0

7、)型鋸齒管振動模的對稱性按D2nh點(diǎn)群不可約表示進(jìn)行分類。手性管振動模的對稱性分類則按照DN(N為原胞中六邊形的數(shù)目)點(diǎn)群的不可約表示進(jìn)行分類。其結(jié)構(gòu)參數(shù)表達(dá)式與碳管的完全相同。然而,BN納米管的原胞中包括氮和硼兩種原子，因此BN納米管的對稱性與碳納米管的對稱性不同。i1III1石墨：2=0.246nmc=(167nm氮化硼：且=0.25nmc=(167nmFig.1structureofgraphiteandhexagonboronnitride圖2是(10,10)型扶手椅管和(10,0)型鋸齒管的原胞,點(diǎn)和圈分別代表氮原子和硼原子。對于(n,n)型碳納米管,存在一個(gè)水平的二次旋轉(zhuǎn)軸和包含管軸平分水平C-C鍵的豎直對稱面。而(n,n)型BN納米管包含兩種元素，上述對稱元素均消失。對于(n,0)型BN碳納米管消失的對稱元素為:水平的二次旋轉(zhuǎn)軸、水平的對稱面和反演中心。(n,m)氮化硼手性管只存在一個(gè)N度旋轉(zhuǎn)軸。因此,BN納米管的空間群為相應(yīng)的單壁碳納米管空間群的子群。Ii.2Uniicellol(10,10)nnd(10,0singlewallboiviinitridengnoiube2.2性能2.2.1力學(xué)性能鋸齒型BN納米管都為直接帶隙材料，