碳纳米管(CNTs)在生物工程、医学载体、储氢材料等方面具有潜在的应用价值,在原子尺度范围内,其结构的变化改变着它的电子特性。为了研究手性碳纳米管的结构特征和电子特性,我们通过建立了“一端开口,一端闭口”的生长模型,采用第一性原理密度泛函理论(DFT),模拟计算了手性碳纳米管核的形貌,研究其衍生过程和电子特性,其中包括单壁(SWCNTs)、双壁(DWCNTs)以及三壁碳纳米管(TWCNTs)。主要研究内容及结论如下:1、微观结构衍生过程解释了如何获得手性碳纳米管,即可以通过逐层吸附d′个碳原子(Cd’)。密立根电子转移解释了碳纳米管的生长点位于碳纳米管的开口端,其中,多壁碳纳米管还遵循―由外向里‖的微观结构衍生规律。2、通过结构的稳定性分析说明了随着管径,管间距或管壁的增加,这些开口端,处于亚稳定状态的碳原子占所有碳原子的比例逐渐减小。因此,随着管径,管间距或管壁的增加,碳管状团簇的平均结合能Eb(l)的增长趋势越加不明显。3、通过周期性边界条件(PBC)模拟计算,结果显示了获得的无限长碳纳米管依赖于其对应的核结构。能带结构的分析说明了能隙是由碳管壁的曲率造成的,并且能隙随管径的增大显著地减小。(1)当满足n–m≠3q时(对于整数q,n﹥m),SWCNTs呈现半导体性质;当满足n–m=3q时,单壁碳纳米管呈现导体性质;(2)对于(n1,m1)@(n2,m2)型双壁碳纳米管,当满足n1–m1≠3q@n2–m2≠3q嵌套或者n1–m1=3q@n2–m2=3q嵌套时,手性DWCNTs呈现导体性质;当满足n1–m1≠3q@n2–m2=3q嵌套时,手性双壁碳纳米管呈现半导体性质;(3)对于(n1,m1)@(n2,m2)@(n3,m3)型手性TWCNTs,当满足n1–m1≠3q@n2–m2≠3q@n3–m3=3q嵌套或者n1–m1=3q@n2–m2=3q@n3–m3=3q嵌套时,手性三壁碳纳米管就呈现导体性质。我们模拟计算的碳纳米管核结构和微观结构衍生过程更好的阐述了在实验上手性碳纳米管可能的生长机制,并且在工业水平上为手性碳纳米管结构均一可控生产提供有益指导。