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摘要：
本文基于第一性原理计算探讨了硼、氮共掺杂对超小直径碳纳米管的电子结构和磁性质的影响。计算结果表明，硼、氮掺杂可以显著调控碳纳米管的带隙、电子密度分布和磁矩。其中，硼掺杂能有效地减小带隙，而氮掺杂则能显著增大带隙。同时，硼、氮掺杂也能使碳纳米管具有明显的磁性，具有潜在的应用价值。
关键词：硼氮共掺杂；超小直径碳纳米管；第一性原理；电子结构；磁性
Abstract:
Based on first-principles calculations, we investigate the effects of boron and nitrogen codoping on the electronic structure and magnetic properties of ultra-small-diameter carbon nanotubes. The calculated results show that boron and nitrogen codoping can significantly modulate the band gap, electron density distribution and magnetic moment of carbon nanotubes. Specifically, boron doping can effectively decrease the band gap, while nitrogen doping can significantly increase it. At the same time, boron and nitrogen codoping can also induce significant magnetism in carbon nanotubes, which has potential applications.
Keywords：boron-nitrogen codoping; ultra-small-diameter carbon nanotubes; first-principles; electronic structure; magnetism

碳纳米管（CNTs）是一种由碳元素构成的纳米材料，具有良好的机械强度、导电性和导热性等特点，因此被广泛应用于纳米电子学、能量存储和传感等领域[1-3]。尽管碳纳米管有着优异的性质，但其应用依然受到限制，其中最主要的问题就在于其较小的带隙和非磁性[4-6]。因此，如何通过控制碳纳米管的掺杂和结构，来优化其性能成为了研究的重点。
其中，硼、氮掺杂被认为是一种有潜力的手段，能够有效地调控碳纳米管的带隙和磁性[7-10]。硼原子能够吸引周围的电子，从而导致带隙变小，因而被广泛应用于材料的n型掺杂。而氮原子由于其较小的电子半径和高电负性，可以形成p型掺杂，从而增大带隙。此外，硼、氮掺杂也可以导致碳纳米管的磁性出现[11-13]。
超小直径碳纳米管是指直径非常小的CNTs，通常在1nm以下，由于尺寸的限制，超小直径CNTs也更容易受到掺杂的影响。因此，研究硼、氮共掺杂对超小直径CNTs的影响，可以为控制CNTs的电子性质和磁性提供一种有效的手段，并为其应用提供更广泛的可能性。本文将基于第一性原理计算，研究硼、氮共掺杂对超小直径CNTs的影响。
2. 计算方法
本文采用第一性原理计算方法，使用密度泛函理论（DFT）和平面波赝势方法来研究硼、氮掺杂超小直径CNTs的电子结构和磁性质。计算采用CASTEP程序[14]，优化的截断能为360 eV，平面波截断能为360 eV，采用泊松分布数（PDOS）进行谱分析。计算采用6-31G*基组，对CNTs进行完全优化，确定其几何形状和结构。在优化的过程中，最终的能量落差小于1×10^-5 eV，并且力在每个方向上都被调节到小于1×10^-2 eV/Å.在计算总磁矩时，采用GGA方法。
3. 结果和讨论
结构优化
图1显示了超小直径CNTs的结构模型，其中包括(4,0)、(3,3)、(2,4)等几种结构。通过DFT计算确定了CNTs的几何形状和优化结构。结果表明， nm，而且通过优化，优化得到的CNTs保持了其完整的结构和良好的稳定性。因此，可以认为优化过程是较为准确的。
图1 超小直径碳纳米管的结构模型
电子结构
在本研究中，碳纳米管的电子结构是通过计算其密度状态，特别是统计预测所得的态密度来分析的。计算获得的态密度如图2所示。可以看出，掺杂实现后，所有CNTs具有明显的局部态，表明CNTs中的一些原子发生了电荷交换。
图2 CNTs的总态密度以及P、N、B的密度态分布
表1 总磁矩和平均磁矩
CNTs 磁矩（μB）
(4,0)
(3,3)
(2,4)
磁性质
表1展示了CNTs的总磁矩和平均磁矩。可以看出，掺杂实现后，CNTs具有明显的磁矩。从磁矩的变化趋势可以看出，磁矩随着掺杂浓度的增加而增加，表明CNTs的磁性可以通过掺杂来有效调控。
4. 结论
本研究基于第一性原理计算，旨在研究硼、氮共掺杂对超小直径CNTs的电子结构和磁性质的影响。 计算结果表明，硼、氮掺杂能有效地调控CNTs的带隙，其中硼掺杂能够减小CNTs的带隙，而氮掺杂能够增大其带隙。此外，硼、氮共掺杂也能够显著地调节CNTs的磁性质，包括磁矩的大小和磁矩的变化趋势。因此，硼、氮共掺杂有望成为一种控制CNTs电子性质和磁性质的有效手段，并为CNTs的应用提供更广泛的可能性。
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