利用诱导电子密度建模封端碳纳米管的场发射增强因子

在许多关于单壁碳纳米管(SWCNTs)的场电子发射实验中，SWCNT 立于两块间隔较远的平行平板之一上，两板间施加宏观场 $F_{\rm{M}}$。对于 SWCNT 表面上任意给定位置“L”，场增强因子(FEF)定义为 $F_{\rm{L}}$/$F_{\rm{M}}$，其中 $F_{\rm{L}}$ 为“L”处定义的局部场。来自小半径封端 SWCNT 的最佳发射测量显示出恒定的特征 FEF(即与 $F_{\rm{M}}$ 无关)。本文讨论如何在量子力学(而非经典静电)计算中重现这一结果。采用密度泛函理论(DFT)分析两个短的、两端封浮的 SWCNT 的性质，即 (6,6) 与 (10,0) 结构。两者具有几乎相同的高度($\sim 5.46$ nm)和半径($\sim 0.42$ nm)。发现两个 SWCNT 的局部诱导 FEF 的顶端值相近，与 $F_{\rm{M}}$ 无关，且与经典导体模型所得 FEF 值相近。这表明这些诱导 FEF 值与被认为相近的 SWCNT 纵向系统极化率有关。DFT 计算还生成了两个 SWCNT 在 $F_{\rm{M}}$ 从 3 V/$\mu$m 到 2 V/nm 范围内的“真实”(相对于“诱导”)势能(PE)势垒。沿 SWCNT 轴线及穿过最顶端原子之一的平行“观测线”的 PE 剖面相似。在低宏观场下，两类 SWCNT 的势垒形状细节不同。即便 $F_{\rm{M}}=0$，发射体顶端仍存在明显的 PE 结构(两类 SWCNT 不同)；这表明存在结构特异的、化学诱导的电荷转移及相关的补丁场分布。