单壁BN纳米管的结构特点及应用
一、BN纳米管简介
1991年，Iijima创造了科学领域的一大发现——碳纳米管。自那以后，人们便一直在不断的努力寻找其他种类的纳米管，纳米管的研究已经成为当今纳米材料领域的研究热点之一。早在1994年Rubio等人[1]从理论上用紧束缚分子动力学的方法预测BN纳米管（Boron nitride nanotubes,以下简称BN-NTs）的存在。之后，1995年Chopra等人[2]通过等离子电弧放电法首次成功的合成了BN纳米管，吸引力所有科学研究人员的眼球，至此拉开了ＢＮ纳米管的研究序幕，引起了研究的热潮。
BN纳米管与碳纳米管结构相似,是由B-N原子以sp2杂化成键形成，氮化硼（ＢＮ）和石墨（Ｃ）结构相似，六边形的氮化硼(h-BN)有着与石墨一样的层状结构，它们的晶胞参数(a=0·250 4 nm;c=0·666 0 nm)和石墨(a=0·246 4 nm;c=0·670 8 nm)[3]两者几乎是一样的，所以这就决定了而且BN纳米管也是管状结构的。
理论研究表明，BN-NTs与C纳米管在性质方面存在很大的差别，BN纳米管的禁带宽度约为5.5eV，还具有和C纳米管一样出色的力学性能,弹性模量约为1 TPa;抗氧化温度可达900℃。而且BN纳米管很可能继承h-BN化学稳定性好的优点,这些都决定BN纳米管将会是出色的结构和功能材料。
到目前为止，合成BN纳米管的方法有：激光蒸发法、电弧放电法和化学气相沉积法。拉曼光谱和红外光谱是研究物质结构性质最有效且方便的方法，尤其在纳米材料的结构分析表征中占有非常重要的地位，利用拉曼光谱和红外光谱对BN纳米管的结构进行表征，并对其晶格动力学进行分析。
在应用方面，BN纳米管储氢所需的能量比C纳米管少，它的化学性质也比C纳米管稳定，是比C纳米管更有潜力的储氢材料，还可作为纳米尺度的电子器件、纳米结构的陶瓷材料等一些材料应用上。
经过了十多年的研究，人们不仅对BN纳米管结构有了深刻的认识，甚至还研究出了一些合成方法，但是与目前日趋成熟的C纳米管相比，BN纳米管无论从理论研究还是从应用研究方面都还只是处于起步阶段，有待于进一步发展。
二、BN纳米管结构特点和性能 2.1 结构特点
研究表明, BN纳米管可分为单壁和多壁两种结构.对于单壁纳米管,可将其看成由h-BN单层平面卷曲而成,不同的卷曲方式得到的结构也不同.在h-BN平面中, B,N原子以sp2杂化后形成3个共价键,从而形成六角网状结构的平面,如图1所示.
a1, a2为平面单胞基矢,选平面中的任意一原子O作原点,再选定另一个原子记为点A,从O到A的矢量为C=na1+ma2, n, m为整数.将h-BN平面卷曲成一个圆筒,在卷曲过程中使O,A点的原子重合,这样就形成了氮化硼纳米管.其中,C称为手性矢量,单胞基矢a1的方向称为锯齿方向,手性矢量与锯齿方向的夹角为手性角θ.所形成的纳米管可用(n,m)这对
整数来表示,因为这对整数一经确定,纳米管的结构就完全确定,所以这对整数也称纳米管指数.
与C纳米管相同,BN纳米管可看成由六角层状BN卷曲而成.如图1所示,将图1a中的1-1′, 2-2′, 3-3′位置的原子分别相连,就形成了锯齿型的纳米管图1b,根据与C纳米管相同的命名原则,其被命名为BN(6,0)纳米管.图1c是我们进行计算时所采用的晶胞.在锯齿型BN纳米管中,B层与N层交错出现,由B原子和N原子形成两个同心的圆柱面.这两个圆柱面有着不同的直径DB和DN.在BN (n,0)纳米管中,B和N原子形成两类不同的B—N键,一类是与纳米管的管轴c方向平行的B(1)—N(2)键,用r1表示,另一类是不与c平行的B(1)—N(1′)键,用r2表示.表1给出了本文计算所得的BN(3,0)~BN(17,0)纳米管的r1,r2,DB,DN,DN-DB和晶胞参数c,其中DN-DB为DN和DB的差值.
单壁BN纳米管又可以分为扶手椅型(n =m,θ=30°),锯齿型(m=0,θ=0°)和手性纳米管(0°<θ<30°, (n,m)),如图2所示.其中锯齿型是优势构型。
科学研究人员曾经对单壁碳纳米管的对称性进行了分析,描述碳纳米管的空间群均为非点式空间群,(n, n)型扶手椅管和(n, 0)型锯齿管振动模的对称性按D2nh点群不可约表示进行分类。手性管振动模的对称性分类则按照DN(N为原胞中六边形的数目)点群的不可约表示进行分类。其结构参数表达式与碳管的完全相同。然而,BN纳米管的原胞中包括氮和硼两种原子,因此BN纳米管的对称性与碳纳米管的对称性不同。
图2是(10,10)型扶手椅管和(10,0)型锯齿管的原胞,点和圈分别代表氮原子和硼原子。
对于(n, n)型碳纳米管,存在一个水平的二次旋转轴和包含管轴平分水平C-C键的竖直对称面。而(n, n)型BN纳米管包含两种元素,上述对称元素均消失。对于(n, 0)型BN碳纳
米管消失的对称元素为:水平的二次旋转轴、水平的对称面和反演中心。(n, m)氮化硼手性管只存在一个N度旋转轴。因此,BN纳米管的空间群为相应的单壁碳纳米管空间群的子群。
2.2性能
2.2.1力学性能
锯齿型BN纳米管都为直接带隙材料,并且与碳纳米管不同的是BN纳米管都有着较大的能隙,
图3和图4是(10,10)型和(17,0)型BN纳米管的声子色散关系以及相应的态密度。(10,10)管的声子色散支数目是66,其中12支是非简并的,54支是简并的;(17,0)管的声子色散支数目
