Field Emission from Capped Carbon Nanotubes
The electronic structures of capped carbon nanotubes were investigated using density functional calculations. We analyzed the density of states (DOSs), highest occupied molecular orbitals (HOMOs), and lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) for various charged states with electric fields. When the electric field is applied along the tube axis, charges are transferred from the occupied levels localized at the top pentagon of the cap, and not from the HOMO localized at the side pentagon, to the unoccupied levels. We found that the charge densities at the top of the armchair cap show two- or five-lobed patterns depending on the field strength, whereas those of the zigzag cap show a three-lobed pattern.
Adsorption of Molecules on Carbon Nanotube Edges
We have investigated systematically the effects of various gas adsorbates $(H_2, N_2, O_2, and H_2O)$ on the electronic structures and the field emission properties of open edges of carbon nanotubes by density functional calculations. All the molecules, except $N_2$, dissociate and chemisorb on open nanotube edges with large adsorption energies. The Fermi levels are moved towards the valence (conduction) bands for $O_2(H_2, H_2O)$ adsorption induced by the Mulliken charge transfer on the tube edge. The Fermi level shift for $N_2$ adsorption is negligible. Adsorption of $H_2O$ enhances the field emission current, whereas $H_2$ adsorption does not affect the field emission current much due to the absence of the density of states near the Fermi level.
Electronic Structures at Carbon Nanotube Tips
We have investigated the electronic structures of chemically modified carbon nanotube tips under electric fields using density functional calculations. Hydrogen, oxygen, hydroxyl group-terminated nanotubes, including open-ended and capped ones, has been considered as the field emitters or probe tips. In case of the open-ended tubes, the field emission originates primarily from the dangling-bond states localized at the edge, whereas the pentagonal defects are the main source of the field emission in the capped tubes. The open-ended nanotube with the zigzag edge is an efficient field emitter because of the localized electronic states around the Fermi level and the atomic alignment of carbon-carbon bonds along with external electric fields. Tip-functionalization alters the local density of states as well as the chemical selectivity of nanotubes in various ways.
탄소 나노튜브의 전자 방출 특성
전자밀도 범함수 계산을 이용하여, Cap이 형성되어 있는 탄소 나노 튜브의 전자구조를 연구하였다. 외부 전기장이 인가된 환경에서, 여러 가지 전하 상태를 가지는 나노 튜브 들의, 상태밀도 함수(DOS), 최고 점유 분자궤도 함수(HOMO), 최저 비점유 분자궤도 함수(LUMO)들을 분석하였다. 전기장이 인가되면, 전하들은 Cap의 주변에 편재되어 있는 HOMO에서 LUMO로 직접 이동되는 것이 아니라, Cap의 윗부분에 편재되어 있는 점유 분자궤도 함수들로부터 전달되는 것을 알 수 있었다. 또한 Armchair Cap에서는 전하 분포 형태가 두개 또는 다섯 개의 패턴을 가지는 반면, Zigzag Cap에서는 세 개의 패턴을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 이것으로 전자방출현미경(FEM)의 이미지를 설명할 수 있었다.
탄소 나노튜브에 대한 분자들의 흡착 특성
여러 가지 기체 분자들(수소, 질소, 산소, 물)의 흡착이, 탄소 나노 튜브의 전자구조와 전계 전자 방출 특성에 미치는 영향을, 전자밀도 범함수 계산을 이용하여 연구하였다. 기체 분자들이 나노 튜브의 끝에 흡착되면서, Mulliken 전하 전달이 일어나고, 이로 인하여 Fermi 준위의 이동이 생기는데, 산소 흡착의 경우 가전자대로, 수소와 물 흡착의 경우 전도대로 움직였다. 한편, 질소 흡착의 경우 Fermi 준위의 이동은 거의 일어나지 않았다. 물 흡착의 경우는 전계 전자 방출 전류를 증가시키는 반면, 수소 흡착의 경우는 거의 영향을 미치지 않는데, 이것은 수소 흡착의 경우 Fermi 준위 부근의 에너지 상태에 거의 영향을 미치지 않기 때문이라는 것을 알았고, 이러한 사실들로부터 기체분자 흡착이 전자 방출 전류의 세기에 미치는 영향에 관한 실험결과를 설명할 수 있었다.
탄소 나노튜브 끝단의 전자구조
외부 전기장 환경에서, 여러 가지 Tip 구조를 가지는 탄소 나노 튜브들의 전자구조를, 밀도 범함수 계산을 이용하여 연구하였다. Cap이 형성된 나노 튜브의 전계 전자 방출 특성은, Cap에 형성되어 있는 오각형 구조 같은 기하학적인 결함에서 기인하는 반면, Open된 구조를 가지는 나노 튜브는, 튜브 끝 결함에 존재하는 비공유 전자쌍들에 의해서 주로 결정된다는 것을 알 수 있었다. 국소 전자밀도 상태 함수(LDOS) 분석을 통해서, Open 되고 Zigzag 형태의 구조를 가진 나노 튜브의 전자 방출이 가장 효율적으로 일어날 것이라는 것을 알 수 있었다. 이것은 Fermi 준위 부근의 전자 분포와 외부 전기장에 대한 탄소 원자배열 방향이 영향을 미치기 때문이다. 수소 원자들로 terminated된 구조를 가진 나노 튜브의 경우는, Fermi 준위 부근에 편재화 된 에너지 상태를 가지고 있고, 잘 이온화 되지 않으므로, 화학 센서용 탐침으로 응용되기 적합하다는 것을 제안 하였다.
