中文摘要：

碳纳米管因其独特的物性和广泛的应用前景而一直成为研究的热点。碳纳米管分为半导体性和金属性两类。对半导体性碳纳米管中激子的研究已经十分深入，激子对半导体性碳纳米管光学性质的重要作用已被公认。但金属性碳纳米管中的激子只是最近才被发现，对其性质所知甚少。对碳纳米管的研究主要集中在无外场的情况，对外场对碳纳米管性质改变的研究较少，而后者正是碳纳米管在应用中经常面临的实际问题。目前的理论计算工作仍有局限性，仍难以解释某些实验现象。本项目力图结合实验，从理论上对目前碳纳米管基础研究中的热点和难点问题进行探讨，计划（1）系统地研究金属性碳纳米管中激子的基本性质，揭示其与半导体性碳纳米管中激子的异同；（2）分析各种外场对碳纳米管性质的影响，寻找更有效改变碳纳米管性质的方法；（3）建立一套更精确的碳纳米管的理论计算方法，解释更多的激子激发态的实验现象。本项目的成功将有力地推动碳纳米管的理论发展和应用研究。

结论摘要：

《碳纳米管的光学性质、调控、及激子物理》该国家基金面上项目着重研究以碳纳米管为代表的准一维有机材料体系，以半经验的计算方法，采用全电子相互作用的较精确的理论模型来计算该体系的基本电子结构及外加电场磁场对电子结构及光学性质的影响，揭示了电子-电子相互作用以及激子在低维体系中的重要作用，并探讨了纳米材料性质的调控在实践中的应用。 该项目计划的工作目标有三点1. 金属性碳纳米管的性质；2. 外场对碳纳米管性质的调控；3. 高于单激发的组态相互作用计算以研究高能激发态。目标1与2顺利完成1. 对金属性碳纳米管而言，其性质与半导体性碳纳米管十分相似，但由于其不同于半导体性碳纳米管的位于费米能量的能级的存在，造成高能量的激子的存在；2. 对外场的调控而言，我们精确地计算了外加磁场对半导体性碳纳米管的能隙的影响，揭示了电子-电子相互作用以及激子对外场调控的影响。目标3的研究目的达到，揭示了碳纳米管中高能激子的存在及表现，但由于高性能计算集群硬件的限制，未能够采用原计划的研究手段。 该项目的执行对原定计划进行了拓展，使研究对象包括了准一维有机材料中其它的新兴材料石墨烯条带及应用于太阳能电池的新型共轭高分子材料。对于石墨烯条带，我们首先研究其与碳纳米管及传统共轭高分子材料的异同，通过对自旋单态激子与自旋三态激子的研究发现其与碳纳米管的相似性。通过外加电场磁场对能带的调节来控制在条带上的电子空穴输运。对于应用于太阳能电池的高分子材料，我们通过密度泛函的方法计算新设计的材料的电子结构，通过调节不同基团调节材料的能隙大小及价带顶能级以更好得与电子受体材料配合，提高了太阳能电池的效率。 该项目的完成使我们对占碳纳米管类型三分之一的金属性碳纳米管有了进一步的认识，定量的刻画了其与通常研究的半导体性碳纳米管的异同；定量的分析了外加磁场对碳纳米管电子结构的影响，以及激子在调控中的作用；对碳纳米管中出现的之前未能分析的高能激子做出了研究。该项目的完成同时揭示了同属于准一维有机材料的石墨烯条带及共轭高分子材料与碳纳米管的异同，研究了对石墨烯条带及高分子材料的能带调控，从而达到控制石墨烯条带电子输运及提高太阳能电池效率的目的。对于实验及应用具有很强的指导意义。