碳纳米线的杂化结构及应变可调的电子性质

新近合成的超细碳纳米线引起了碳材料领域的极大关注。在此,基于第一性原理计算,我们研究了在两种重要因素——Stone-Wales (SW) 型缺陷和晶格应变——影响下碳纳米线的电子性质。SW 缺陷是纳米线 polymer-I 结构所固有的,并且是一般杂化结构的构建单元。我们发现纳米线的带隙可通过 SW 缺陷浓度在 $3.92 \sim 4.82$ eV 的宽范围内调控,介于 $sp^{3}$-(3,0) 结构与 polymer-I 结构的带隙之间。在应变下,所有结构(包括杂化结构)的带隙均呈现非单调变化:带隙先随应变增大,然后在高于 10% 的大应变下下降。带隙大小可通过应变在宽范围($>0.5$ eV)内有效调控。有趣的是,对于 $sp^{3}$-(3,0) 结构,在价带顶处应变下发生能带顺序切换;而对于 polymer-I 结构,在约 8% 应变处发生间接到直接带隙的转变。结果还表明 SW 缺陷的存在倾向于使带隙大小对抗应变而稳定。我们的发现表明了结构与应变工程化的碳纳米线在光电子和光电化学应用以及应力传感器方面的巨大潜力。