CN108509760A - 一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，并对其能带结构以及电容特性进行了计算分析。采用基于密度泛函理论的第一性原理，首先分别构建并优化单层氧化锌和β相石墨炔的晶胞模型，再建立二者范德瓦尔斯力结合的高对称复合模型，最后研究了复合体系在外加电场作用下的相关特性。本发明首次构建出氧化锌与石墨炔范德瓦耳斯力结合的复合模型，阐述了形成复合体系前后能带的变化；揭示了外加电场作用下，复合体系能带与结合能的变化规律；并计算了复合体系的比电容值，为开发新型纳米电容器奠定了理论基础。

Description

一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，特别的为一种氧化锌/石墨炔复合材料的构建、外加电场作用下体系能带、结合能的变化规律分析以及体系电容值的计算。

背景技术

近年来，随着能源需求的不断增长，与之对应的能源存储技术成为当代社会所面临的巨大挑战。电容器作为一种典型的能量存储器件，对新能源的开发与利用起到了重要作用，然而随着典型器件尺寸的进一步缩小，高效、低尺寸的纳米电容器引起了人们的重视。所谓的纳米电容器，指的是纳米结构的静电电容器，以二维材料作为电极，电子局域在单层的纳米层中，两个电极层的间距处于纳米尺度之下。由于纳米电容器具有高纵横比的纳米结构，因此它有着非常高的突发功率以及优秀的能量存储能力，这对于先进的储能技术而言非常关键。利用单层氧化锌良好的化学稳定性以及高的比表面积，结合石墨炔优秀的导电性，组成复合材料，可以在纳米尺度下，得到较高的比电容值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，其为氧化锌/石墨炔复合材料的构建、外加电场作用下体系能带、结合能的变化规律分析以及体系电容值的计算。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，

包括如下步骤：

1)采用数据采集模块采集用于被Masterial Studio 8.0软件进行识别和计算的数据信息文件，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio 8.0软件；

2)在Masterial Studio 8.0软件中，分别建立单层ZnO和β-Graphyne模型，通过Masterial Studio 8.0软件包中的CASTEP模块描述价电子与原子核之间的相互作用，并处理电子和电子之间相互作用的交换相关能，使得作用在每个原子上的力小于体系总能量收敛标准为1×10^-5eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于此外，在垂直于平面的Z方向上真空层厚度设为从而避免由于周期性引入的层间相互作用；

3)采用步骤2)中优化好的单层ZnO和β-Graphyne模型，构建ZnO/β-Graphyne范德瓦耳斯力结合的复合模型，并对其进行结构优化，模块选择与收敛标准同步骤2)，将初始层间距设置为

对优化好的模型进行能带计算与分析，选择高对称路径：

Γ(0,0,0)—K(-0.333,0.667,0)—M(0,0.5,0)—Γ(0,0,0)；对复合模型分别施加且以为间隔变化的电场，电场以石墨炔指向ZnO为正方向，获取外加电场作用下体系能带的变化规律并计算体系的电容值。

进一步地，在步骤2)中，单层ZnO模型优化时，参数采用6×6×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为400eV。

进一步地，在步骤3)中，β-Graphyne模型优化时，参数采用8×8×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为380eV。

进一步地，所述单层ZnO与β-Graphyne的晶格比为1：3。

进一步地，在步骤3)中，对ZnO/β-Graphyne复合模型的能带、结合能以及电容特性进行了计算分析，获取外加电场作用下体系能带的变化规律并计算体系的电容值。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用第一性原理的方法进行模拟仿真计算，成本较低、操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好；

2)本发明首次在理论上构建出ZnO/β-Graphyne范德瓦耳斯力结合的复合模型，为实验制备相关材料提供了理论依据；

3)本发明所使用的模型均为二维材料，其单层材料的厚度小于一个纳米，超薄的二维结构持性使其在新型的高集成度、高密度电子器件中有着无可比拟的体积优势；

4)本发明对ZnO/β-Graphyne复合模型的电容特性进行了计算分析，并得到较高的比电容值，为实验上制备相应的纳米电容器提供了理论与技术支持。

附图说明

图1为本发明中实施例1的ZnO/β-Graphyne复合模型图谱；

图2为本发明中实施例1的能带对比图谱；

图3为本发明中实施例2的ZnO/β-Graphyne结合能图谱；

图4为本发明中实施例2的ZnO/β-Graphyne正向电场下能带变化图谱；

图5为本发明中实施例2的ZnO/β-Graphyne反向电场下能带变化图谱；

图6为本发明中实施例2的ZnO/β-Graphyne比电容值图谱。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明基于密度泛函理论的第一性原理，构建出ZnO/β-Graphyne范德瓦耳斯力结合的复合模型，并研究了外加电场作用下，体系能带、结合能的变化规律，以及进一步计算了体系的比电容值。

实施例一：

步骤一：分别建立单层ZnO和β-Graphyne模型，并对其进行结构优化。计算工作由Masterial Studio 8.0软件包中的CASTEP模块完成。采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用，用广义梯度近似(GGA)PBE泛函来处理电子和电子之间相互作用的交换相关能。作用在每个原子上的力小于体系总能量收敛标准为1×10-5eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于此外，在垂直于平面的Z方向上真空层厚度设为从而避免由于周期性引入的层间相互作用。优化单层ZnO模型时，采用6×6×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为400eV。优化β-Graphyne模型时，采用8×8×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为380eV。

步骤二：采用步骤一中优化好的单层ZnO和β-Graphyne模型，构建ZnO/β-Graphyne范德瓦耳斯力结合的复合模型，并对其进行结构优化，模型图如图1所示。模块选择与收敛标准同步骤一，另外初始层间距设置为对优化好的模型进行能带计算与分析，选择高对称路径：Γ(0,0,0)—K(-0.333,0.667,0)—M(0,0.5,0)—Γ(0,0,0)。

结合体系形成前后的能带图，研究ZnO/β-Graphyne复合模型在未加电场作用下，单层ZnO和β-Graphyne对体系的贡献程度，如图2所示。

该体系的模型如图1所示，复合前后能带的变化如图2所示；

图1给出了ZnO/β-Graphyne模型图，体系优化收敛，其层间距没有发生变化，并且优化后的模型与优化前相比，无明显差异。

图2说明，ZnO/β-Graphyne是一种直接带隙半导体(存在0.495带隙值)，复合体系的带隙值明显受到单层ZnO影响，复合体系打开了β-Graphyne的带隙，但是其能带结构主要还是受β-Graphyne影响，相比于导带部分，价带部分单层ZnO对能带结构贡献较多，这是因为β-Graphyne对范德华相互作用较为敏感，电子结构受范德华作用力影响较大。

实施例二：

步骤一：与实施例一相同；

步骤二：与实施例二相同；

对ZnO/β-Graphyne复合模型施加且以为间隔变化的电场，电场以石墨炔指向ZnO为正方向，研究外加电场作用下体系结合能的变化规律，如图3所示；研究外加电场作用下体系能带的变化规律，如图4和图5所示；计算体系的比电容值，如图6所示。

电场作用下ZnO/β-Graphyne结合能变化如图3所示，正电场下ZnO/β-Graphyne能带变化如图4所示，负电场下ZnO/β-Graphyne能带变化如图5所示，电场作用下ZnO/β-Graphyne比电容值如图6所示；

图3说明ZnO/β-Graphyne复合模型的结合能为负值，表示可以稳定存在，而且，随外加电场强度的增强，各体系的结合能逐渐减小，稳定性依次递增。

图4说明随着电场强度增加，当施加正向电场时，价带出现向费米能级移动的趋势。另外，模型在以下时，ZnO/β-Graphyne模型到导带底和价带顶均在布里渊区M点，体系依然为直接带隙半导体，当电场强度增加到时，由于巨斯塔克效应的影响，体系的静电势对称性被破坏，电荷进行重新分配，此时体系的导带底和价带顶不在布里渊区同一位置，属于间接带隙半导体，当电场强度增加到时，强调控作用使得带隙减小为0，并发生电荷偏转分布，此时体系具备一定的磁性，电子的运动量子化，电子不再按照原来的能谱运动，而是形成朗道能级，实现量子霍尔效应。

图5说明随着电场强度增加，当施加反向电场时，模型在以下时，ZnO/β-Graphyne模型导带底和价带顶均在布里渊区M点，体系依然为直接带隙半导体，当电场强度增加到时，强调控作用使得带隙减小为0，并发生电荷偏转分布，此时体系具备一定的磁性，电子的运动量子化，电子不再按照原来的能谱运动，而是形成朗道能级，实现量子霍尔效应。

图6说明ZnO/β-Graphyne模型比电容大概在6-85F/g之间。复合结构的材料在纳米电容器方面具有潜在应用，可以进行合适的电荷和能量存储。

综上所述，本发明涉及一种新型氧化锌/石墨炔复合材料的构建、外加电场作用下体系能带、结合能的变化规律分析以及体系电容值的计算。所采用的第一性原理计算方法，成本较低、操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好。以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，

其特征在于，包括如下步骤：

1)采用数据采集模块采集用于被Masterial Studio 8.0软件进行识别和计算的数据信息文件，将该数据信息文件通过通用数据端口传递给Masterial Studio 8.0软件；在Masterial Studio 8.0软件中，分别建立单层ZnO和β-Graphyne模型，通过MasterialStudio 8.0软件包中的CASTEP模块描述价电子与原子核之间的相互作用，并处理电子和电子之间相互作用的交换相关能，使得作用在每个原子上的力小于体系总能量收敛标准为1×10^-5eV/atom，内应力小于0.05Gpa，位移小于此外，在垂直于平面的Z方向上真空层厚度设为从而避免由于周期性引入的层间相互作用；

2)采用步骤1)中优化好的单层ZnO和β-Graphyne模型，构建ZnO/β-Graphyne范德瓦耳斯力结合的复合模型，并对其进行结构优化，模块选择与收敛标准同步骤2)，将初始层间距设置为

对优化好的模型进行能带计算与分析，选择高对称路径：

Γ(0,0,0)—K(-0.333,0.667,0)—M(0,0.5,0)—Γ(0,0,0)；对复合模型分别施加且以为间隔变化的电场，电场以石墨炔指向ZnO为正方向，获取外加电场作用下体系能带的变化规律并计算体系的电容值。

2.如权利要求1所述氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，其特征在于，在步骤2)中，单层ZnO模型优化时，参数采用6×6×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为400eV。

3.如权利要求1氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，其特征在于，在步骤3)中，β-Graphyne模型优化时，参数采用8×8×1的K网格点对布里渊区进行求和，选择平面波截止能为380eV。

4.如权利要求1氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，其特征在于，所述单层ZnO与β-Graphyne的晶格比为1：3。

5.如权利要求1氧化锌/石墨炔复合材料电容特性的仿真方法，其特征在于，在步骤3)中，对ZnO/β-Graphyne复合模型的能带、结合能以及电容特性进行了计算分析，获取外加电场作用下体系能带的变化规律并计算体系的电容值。