单壁纳米管挠曲电径向极化的第一性原理研究

挠曲电性是绝缘体对弯曲等应变梯度的极化响应。尽管该效应的尺寸依赖性使其在体材料中与压电性相比很弱，但这表明它在薄膜和纳米管（NTs）等纳米尺度系统中发挥更大作用。本文通过第一性原理计算证明，碳纳米管（CNTs）和过渡金属二硫属化物纳米管（TMD NTs）的管壁沿径向极化，且极化强度随纳米管尺寸减小而增大。对于手性指数为 $(n,m)$ 的 CNTs 和 TMD NTs，当 $C(n,m)/a = \sqrt{n^2 +nm + m^2} \sim 10$ 以下时，管壁径向极化 $P_R$ 开始发散，其中 $C(n,m)$ 为纳米管周长，$a$ 为二维单层的晶格常数。对于 CNTs，$P_R$ 在该值以上降至零，但对于 TMD NTs，在该值以上存在非零极化，这是一种离子效应而非电子效应。TMD NTs 中 $P_R$ 的尺寸依赖性颇为有趣：它逐渐增加，在 $C(n,m)/a \sim 15$ 处达到最大值 $P_R \sim 100 \ \text{C/cm}^2$，然后下降，直至 $C(n,m)/a \sim 10$ 处开始发散。对硫族原子相对于二维单层的径向应变测量表明，这种极化是外层键上的应变显著大于内层键的结果，但未能解释这种特殊的尺寸依赖性。这些结果表明，虽然较小 CNTs 和 TMD NTs 的管壁是极化的，但较大 TMD NTs 的管壁也因内外层原子应变的差异而极化。这一结果可能对纳米管在液体或生物系统中的屏蔽应用有所裨益。