纳米管中旋错缺陷相互作用的理论研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0057

摘要/Abstract

摘要： 碳纳米管具有优异的物理化学性能。5/7边形旋错缺陷是碳基纳米材料中最常见的一种拓扑缺陷，显著影响碳纳米管的力学、电学和热学等性质。因此，研究旋错相互作用对碳纳米管的应用具有重要意义。旋错间的相互作用势与液晶中涡旋相互作用相似，可以通过格林函数计算其势能。考虑到弯曲系统中曲率与缺陷的耦合作用，由此可以获得弯曲系统的旋错缺陷能。然而，对于碳纳米管，由于柱面周期边界条件，按常规投影会导致格林函数发散。针对这一问题，本文设计了几种不同的共形变换方案，解决了柱面格林函数发散问题，探讨了各方案的优劣，揭示了一种探寻共形变换的方法。最终给出了一种同时满足周期性、对称性、连续且光滑的最优柱面格林函数，从而计算了纳米管中的旋错缺陷能，并揭示了旋错势的分布规律，解释了为何正反旋错多以旋错对或在纳米管两侧出现。纳米管中缺陷能的等能面，在靠近旋错中心时接近圆形，远离旋错中心呈纺锤形，较远时几乎变为直线。研究结果对碳纳米管的应用具有一定理论指导作用。

关键词: 纳米管; 旋错缺陷能; 柱面格林函数; 共形变换

Abstract: Carbon nanotubes （CNTs） exhibit exceptional physical and chemical properties. The 5/7-dislocation defects are one type of topological defects in carbon-based nanomaterials， significantly influences the mechanical， electrical and thermal properties of CNTs. Therefore， understanding of disclination interaction is significance for the application of CNTs. Analogous to vortex interactions in liquid crystals， the interaction potential between disclinations can be calculated using Green's functions. Furthermore， by considering the coupling of curvature and defect， the defect energy of disclinations in curved system can be obtained. However， due to the cylindrical periodic boundary condition， the Green's function of CNTs obtained by conventional projection is divergent. This work proposes several conformal transformations to resolve the divergence issue. Through comparative evaluation of multiple transformation strategies， a method to seek conformal transformation is proposed. Ultimately， an optimal cylindrical Green's function satisfying periodic， symmetric， continuous and smooth constraints is identified. By then the defect energy of disclinations and the distribution of disclination potential in nanotubes are obtained. The defect energy reveals why positive and negative disclinations tent to exist as disclination pairs or on the both sides of nanotubes. The equal potential surface of defect energy in the nanotube is almost circular near the core of disclination， is spindle shape far away from the disclination， and is near straight line when it is very far. The results provide important theoretical guidance for the applications of CNTs.

Key words: nanotube; defect energy of disclination; cylindrical Green's function; conformal transformation

中图分类号:

TB303

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图/表 2

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