碳纳米管掺杂PMMA复合材料的导电性能：实验与DFT计算研究

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Experimental and DFT study of the conductive properties of PMMA composite material by doping with carbon nanotubes

本综述通过密度泛函理论（DFT）计算与实验研究，系统阐述了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与碳纳米管（CNTs）复合材料的吸附机制与导电特性。研究发现PMMA-CNTs复合体系具有半导体材料特征（ΔEg可调），为纳米电子器件与生物医学传感器开发提供了新材料策略。

　　

计算方法

所有DFT计算均采用Gaussian09W软件包完成，使用B3LYP杂化泛函和3-21G基组。前期比较研究表明，B3LYP泛函对纳米结构粒子具有更高计算精度。本文通过预筛选确定3-21G为最优基组，并采用赝氢原子技术处理碳纳米管末端悬键，确保模型更贴近真实物理状态。

选择最优基组

密度泛函理论中最优基组的选择需综合考量研究目标、体系复杂度及计算资源。针对大分子体系（如生物分子或材料），需在计算精度与成本间取得平衡。本研究通过系统比对，最终选定3-21G基组实现精度与效率的完美协同。

半导体能带隙的实验测定

能带隙是半导体材料的核心特征之一，其温度依赖性直接影响实际应用性能。我们通过测量直流电阻随温度变化曲线，创新性地推算出研究材料的能带隙值。传统（或掺杂）半导体因存在额外允带，可通过分析电阻-温度曲线的斜率变化精准捕获能带隙信息。

结论

理论计算证实聚甲基丙烯酸甲酯对单/双壁碳纳米管具有显著吸附活性，表明吸附相互作用是构建稳定PMMA-CNTs聚合物复合体系的关键机制。模拟结果显示，掺杂CNTs的聚合物纳米复合材料能带结构发生重构，ΔE_g值减小至1.37-1.56 eV区间，赋予材料典型半导体特性。实验测得电阻随温度升高呈指数下降，与理论预测高度吻合，为新型智能材料设计提供了双验证范式。