基于DFT的锯齿形与扶手椅形BeO纳米管电子及光学特性研究：直径与手性依赖的带隙调控

本研究通过密度泛函理论(DFT)框架下的PBEsol交换关联泛函，系统探究了锯齿形(zBeONTs)与扶手椅形(aBeONTs)氧化铍纳米管的电子带隙和光学光谱特性。研究发现BeONTs具有直径依赖的半导体行为，其静态折射率n0(z)平行于管轴方向更高，且光学吸收峰出现在9-9.5 eV区间。该工作为开发高性能半导体器件提供了理论依据，填补了BeONTs光学性质研究的空白。

　　

在纳米材料领域，氧化铍(BeO)因其高导热性、优异电绝缘性和宽带隙特性，被视为下一代半导体器件的潜力材料。然而，当BeO从体材料缩减至纳米管结构时，其电子和光学性质如何随管径和手性变化，这一关键科学问题长期缺乏系统研究。特别是对锯齿形(zBeONTs)与扶手椅形(aBeONTs)这两种基本结构的对比研究，将直接影响纳米器件的性能调控策略。

法萨大学的研究团队在《Journal of Molecular Graphics and Modelling》发表的研究，首次采用密度泛函理论(DFT)结合PBEsol泛函，对(4,0)-(25,0) zBeONTs和(4,4)-(25,25) aBeONTs进行了系统性计算。通过SIESTA代码实现了650 Ry截断能和TZP基组的精确计算，并采用1×1×11 k点网格采样。研究创新性地揭示了直径增长使带隙从5.46 eV(zBeONTs(11,0))增至6.4 eV(单层BeO)，以及光学吸收峰值的量子限域效应。

关键方法
研究采用第一性原理计算框架，通过GGA_PBEsol和GGA_PBE泛函对比验证结果，利用PDOS分析轨道杂化，计算了0-60 eV能量范围的介电函数ε(ω)和光学导率σ(ω)。结构优化中设定15 ?真空层消除周期性相互作用，最大原子受力<0.02 eV/?。

电子结构特性
能带分析显示aBeONTs带隙(5.59 eV@(11,11))普遍大于zBeONTs(5.46 eV@(11,0))，但极小管径(4,0)因曲率效应出现反常。Be 2s-2p与O 2p轨道杂化形成的双分裂价带证实了离子键特性，该发现与Singh等研究相互印证。

光学响应规律
介电函数实部ε₁(z)在管轴方向显著高于横向，源于YZ/XZ面更高原子密度。折射率n₀(z)达1.72@(11,11)，比碳纳米管低约18%，这归因于Be(1.85 g/cm³)和O(1.43 g/cm³)的密度差异。吸收光谱显示aBeONTs在9.5 eV处吸收强度比zBeONTs高23%，但该差异随管径增大而减弱。

量子尺寸效应
直径≤(5,0)的zBeONTs出现8.66 eV蓝移吸收峰，比(25,0)纳米管低0.82 eV，这与价带顶Γ点至导带底M点的直接跃迁能相关。反射谱表明aBeONTs(11,11)在9.5 eV处反射率达30%，比同尺寸zBeONTs高35%。

这项研究建立了BeONTs结构-性能关系数据库，特别揭示了手性依赖的光学各向异性规律：aBeONTs更适合紫外探测器件，而zBeONTs在宽波段调制器件中更具优势。研究提出的"曲率补偿效应"模型（直径>15 ?时手性差异减弱）为纳米管能带工程提供了新思路。Valedbagi等关于单层BeO 9.6 eV吸收峰的实验数据，以及Fathalian对介电函数红移现象的观测，均有力佐证了本研究的可靠性。该成果对开发基于BeONTs的偏振敏感光电探测器具有重要指导价值。