CN113636545B - 一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，首先，针对需要进行掺杂的原子，进行石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，找出最易于原子掺杂的边缘掺杂点；通过分子动力学计算找边缘掺杂点微观结构与介观几何结构的关系；然后，通过搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维几何结构，并以此结构对石墨烯进行刻蚀生成石墨烯超材料；最后，利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及石墨烯材料的改性技术，尤其涉及一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法。
背景技术
超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。
石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。
石墨烯超材料因石墨烯内部原子以sp2杂化链节，结构极为稳定，难以直接与掺杂原子进行反应，改性较为困难。因此提出一种石墨烯超材料改性方法具有重要意义。
现有石墨烯超材料改性方法主要通过掺杂实现，其中主要有吸附掺杂和晶格掺杂。吸附掺杂是过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的。吸附方法维将石墨烯暴露在水、氧气、氮气、二氧化氮等气体环境中，气体分子会吸附在石墨烯上，改变石墨烯性能。晶格掺杂是将所需掺杂原子替换掉石墨烯中的碳原子，以此改变石墨烯性质。晶格掺杂方法主要有CVD法和离子注入法。CVD法为石墨烯通过化学气相沉积方法可以大面积制备,在制备过程中或后处理中,通过引入不同的反应源,可以使石墨烯晶格结构中的部分碳原子被其他原子代替,形成晶格掺杂，离子注入法是通过高能离子注入设备，直接对成品石墨烯进行离子注入从而完成掺杂。
然而，运用吸附掺杂进行石墨烯超材料改性其改性效果大多不稳定，吸附完成后随着时间的推移性质会慢慢发生改变。运用CVD法进行掺杂制备起来效率较高，且操作也不是很困难。但就是设备技术要求较高，需要相应的一些高水平的设备才能精确无误地实现该实验，成本也是相当高的。
离子注入法任然存在和上面一个方法相同的问题，即对于设备技术要求较高，成本花费也比较大。且其与CVD方法一样，掺杂灵活性较低，需要同时对整块石墨烯材料进行掺杂。
发明目的
本发明的目的就是为了解决现有石墨烯超材料改性方法成本高，灵活性不足的问题，提供一种更加便捷、可靠、灵活的石墨烯超材料改性方法，即提供一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性技术，在降低石墨烯超材料改性成本的同时，增加改性的灵活性。本发明可以用过二维几何结构设计控制边缘掺杂点数量，进而控制掺杂，过程较为灵活。
发明内容
本发明提供了一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，通过原子掺杂来实现，包括以下步骤：
步骤1：针对需要进行掺杂的原子，进行石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，找出最易于原子掺杂的边缘掺杂点，通过分子动力学计算找边缘掺杂点微观结构与介观几何结构的关系；
步骤2：通过搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维几何结构，并以此结构对石墨烯进行刻蚀生成石墨烯超材料；
步骤3：利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。
优选地，在执行所述步骤1之前，须先确定石墨烯超材料改性所掺杂原子种类。
优选地，步骤1中所述石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，即运用第一性原理方法和DFT密度泛函理论，求解掺杂原子与石墨烯边缘的电子结构和结合能，以此判断原子结合难易程度；所述最易于原子掺杂的边缘掺杂点为最易于与掺杂原子结合石墨烯边缘结构。
优选地，步骤2中所述几何优化仿真模型是通过构建二维形状生成算法，以所述边缘掺杂点出现数量、材料强度和材料体积电阻率为目标进行迭代优化，最终得到最优二维几何结构。
优选地，所述步骤2进一步包括：将所述最优二维几何结构生成工程文件，运用光刻技术在CVD基底上制备掩膜，在所述CVD基底上进行CVD化学气相沉积生成石墨烯材料。
附图说明
图1是常见的几种不同石墨烯边缘结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细阐述本发明的具体实施方式，本领域技术人员应当明白，为了便于理解，此处的具体实施方式仅是示例性的说明本发明的技术方案，而不应被视为对本发明保护范围的限定，任何不脱离本发明构思的在本实施方式基础上做的改动或变体，以及等效实施或变更，都应落入本发明的范围。
图1是常见的几种不同石墨烯边缘结构示意图，由图可知，在各种不同石墨烯的边缘结构下，预掺杂原子与石墨烯边缘结构进行结合的方式自然各有不同，需要根据所要掺杂的原子种类，确定出最适合掺杂原子结合的石墨烯边缘结构，以便获得最优的材料性能。
在本实施方式中，本发明所述的基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，通过原子掺杂来实现，具体包括以下步骤：
(1)确定石墨烯超材料改性所掺杂原子种类。
(2)运用DFT密度泛函理论对原子与石墨烯边缘结合能进行第一性原理计算。
(3)根据计算结果选择最适合掺杂原子结合的石墨烯边缘结构。
(4)通过分子动力学计算，统计得出适于结合的石墨烯边缘微观结构与介观几何结构的关系。
(5)搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维。
(6)将此二维结构生成工程文件。
(7)运用光刻技术在CVD基底上制备掩膜。
(8)运用此基底进行CVD化学气相沉积生成石墨烯材料。
(9)利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。
相较于现有技术，本发明具有以下优点
通过第一性原理计算对石墨烯二维结构的优化，在石墨烯超材料边缘生成尽可能多的可供掺杂原子结合的边缘结构，可大大降低石墨烯超材料掺杂难度和掺杂成本，通过对石墨烯超材料二维结构的设计也可更加灵活的控制掺杂过程。
Claims (3)
1.一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，通过原子掺杂来实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对需要进行掺杂的原子，进行石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，找出最易于原子掺杂的边缘掺杂点，通过分子动力学计算找边缘掺杂点微观结构与介观几何结构的关系；所述石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，即运用第一性原理方法和DFT密度泛函理论，求解掺杂原子与石墨烯边缘的电子结构和结合能，以此判断原子结合难易程度；所述最易于原子掺杂的边缘掺杂点为最易于与掺杂原子结合石墨烯边缘结构；
步骤2：通过搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维几何结构，并以此结构对石墨烯进行刻蚀生成石墨烯超材料；所述几何优化仿真模型是通过构建二维形状生成算法，以所述边缘掺杂点出现数量、材料强度和材料体积电阻率为目标进行迭代优化，最终得到最优二维几何结构；
步骤3：利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，其特征在于，在执行所述步骤1之前，须先确定石墨烯超材料改性所掺杂原子种类。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：将所述最优二维几何结构生成工程文件，运用光刻技术在CVD基底上制备掩膜，在所述CVD基底上进行CVD化学气相沉积生成石墨烯材料。
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