CN114408902B - 高弯曲模量褶皱石墨烯模型、构建方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯模型构建技术领域，公开了高弯曲模量褶皱石墨烯模型、构建方法及应用。本发明在具有四方晶系晶格且具有水平或竖直对称轴的初始褶皱石墨烯原胞基础上，在非六元碳环间通过平行于任意一条或多条六元碳环带的延伸方向，添加偶数层数的石墨烯纳米带，构建厚度增加的褶皱石墨烯模型。本发明通过构建高弯曲模量褶皱石墨烯模型，提升石墨烯弯曲模量，改善石墨烯抗弯性能。并且通过具有指向性地调整褶皱石墨烯原胞构型，实现石墨烯抗弯性能不同程度的改善。为高效地构建一系列具有特定褶皱形貌和高抗弯性、高结构稳定性的石墨烯同素异形体给与理论支撑和引导。

Description

高弯曲模量褶皱石墨烯模型、构建方法及应用
技术领域
本发明属于石墨烯模型构建技术领域，涉及一种高弯曲模量褶皱石墨烯模型、构建方法及应用。
背景技术
柔性电子技术是一项极具潜力的新兴技术。石墨烯，作为备受期待和重视的柔性电子材料，有望应用于柔性显示、储能器件、电子设备等领域中，因此对其力学、电学、光学等性能提出了极高的要求。其中，材料的柔韧性通常用弯曲模量进行表示，弯曲模量越大，代表材料越难以进行弯曲，柔韧性越差、抗弯性越强。然而，由于苛刻的实验条件和过大的实验误差，石墨烯的弯曲模量通常难以进行精确测量，因此使用模拟计算软件进行协助计算变得愈发重要。
同时，在合成与应用石墨烯的过程中往往还会随机地、不可控地产生大量的本征缺陷，并且无论主观与否，都会明显地改变石墨烯的厚度、结构和性质。石墨烯是一类特殊的同时满足所有相连的碳原子均为sp2杂化方式和完全由六元碳环密铺所获得的二维碳纳米材料，其中的任意一个六元碳环都被六个六元碳环所环绕，并且此时的这七个六元碳环还可以共存于同一平面，再通过不断地重复、放大这个过程，最终就可以获得绝对平整、仅具有单原子层厚度的石墨烯。然而，当缺陷结构中的五元碳环、七元碳环、八元碳环等非六元碳环被相应数量的六元碳环所环绕时，则会由于受到空间位阻的影响从而导致所有碳原子无法共存于同一平面，形成褶皱形貌，并且显著地影响其厚度和弯曲模量。
因此，可以无需引入额外的杂原子或官能团，只需调整彼此间均互不相邻的非六元碳环间的相对位置，就可以构建一系列的具有明显厚度和弯曲模量的褶皱石墨烯构型；不仅可以有效地协助计算石墨烯及褶皱石墨烯的弯曲模量，还为改善石墨烯的抗弯性能以及产生特定的褶皱形貌给与理论支撑和指引。
发明内容
本发明针对现有石墨烯模型弯曲模量较低，且无法规律性调整石墨烯模型弯曲模量的大小，提供一种高弯曲模量褶皱石墨烯模型、构建方法，通过调整彼此间均互不相邻的非六元碳环间的相对位置，构建一系列均具有四方晶系晶格和褶皱形貌的构型，提高其弯曲模量，改善石墨烯抗弯性能。
本发明的技术方案是：
一种高弯曲模量褶皱石墨烯模型构建方法，包括步骤如下：
步骤1，在多个非六元碳环外围均环绕六元碳环，再将外围的六元碳环堆叠、嵌入和重叠等操作，并且使用单独的六元碳环填充间隙，确保非六元碳环彼此间互不相邻，通过调整非六元碳环的数量及相对位置，直至获得具有四方晶系晶格且具有水平或竖直对称轴的初始褶皱石墨烯原胞；
步骤2，确定步骤1得到的初始褶皱石墨烯原胞内，包含由沿水平或垂直方向连续延展且贯穿原胞的六元碳环所组成的多条六元碳环带；随后，平行于一条或多条六元碳环带的延伸方向，添加偶数层数的石墨烯纳米带，构建出具有四方晶系晶格并保持与步骤1初始褶皱石墨烯原胞对称轴相同且厚度增加的褶皱石墨烯模型。
进一步地，步骤2中厚度增加的褶皱石墨烯模型中所有的碳原子均采用sp2杂化方式，层间距不小于
Figure BDA0003435452990000021
保证无层间相互作用。
进一步地，步骤1所述的非六元碳环包括四元碳环、五元碳环、七元碳环、八元碳环中的至少两种。
应用上述的方法得到的将高弯曲模量褶皱石墨烯模型的原胞扩胞得到的褶皱石墨烯结构。
进一步地，上述扩胞的扩胞数不小于4。
本发明的有益效果是，通过构建厚度增加的褶皱石墨烯模型，提升石墨烯弯曲模量，改善石墨烯抗弯性能。并且通过具有指向性地调整褶皱石墨烯原胞构型，实现石墨烯抗弯性能不同程度的改善。为高效地构建一系列具有特定褶皱形貌和高抗弯性、高结构稳定性的石墨烯同素异形体给与理论支撑和引导。
附图说明
图1为本发明的构建高弯曲模量褶皱石墨烯模型方法的示意图，粗虚线框内是额外添加的石墨烯纳米带。
图2为本发明的图1中的左上角构型的不同扩胞数所对应的褶皱石墨烯弯管结构示意图。
图3为本发明的图1中的扩胞数均为4时的不同褶皱石墨烯构型的厚度和弯曲模量关系图。
图4为本发明的图1中的左上角构型在不同扩胞数下的能量差值密度-曲率二次拟合曲线图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例：
使用Materials Studio软件构建具有四方晶系晶格的褶皱石墨烯原胞。
选择彼此间均互不相邻的两个五元碳环和两个七元碳环作为非六元碳环，其中一对五元碳环分别位于厚度方向的顶端和底端，其间距可以决定褶皱石墨烯的厚度，一对七元碳环则作为五元碳环间的连接鞍点，并且不断地调整五元碳环和七元碳环间的相对位置，直至获得具有四方晶系晶格的褶皱石墨烯原胞，如图1的左侧上下两图所示。
对于此时的褶皱石墨烯原胞而言，均存在由沿水平或垂直方向连续延展且贯穿原胞的六元碳环所组成的若干条六元碳环带，从而可沿任一条或多条六元碳环带处，即图1的粗虚线框内添加若干层数的石墨烯纳米带，快速、高效地构建一系列结构相似的具有四方晶系晶格的褶皱石墨烯原胞。
验证：
1)计算不同结构、同一扩胞数下的褶皱石墨烯弯曲模量。
图1的8种具有四方晶系晶格的褶皱石墨烯构型，均可以沿水平或垂直方向进行扩胞，并且扩胞数不小于4，再将超胞沿扩胞方向进行弯曲，自动弯曲成弯管结构。其中，图1的左上角的褶皱石墨烯原胞沿图1的垂直方向，即图2的水平方向分别进行4、5、6倍的扩胞并弯曲成弯管时，其不同扩胞数的超胞的俯视图、侧视图和弯管截面图如图2所示。以4倍扩胞为例，使用CASTEP功能模块计算图1的8种褶皱石墨烯构型在扩胞数同为4时的超胞和弯管结构间的能量差值，利用下述公式获得4倍扩胞数下的8种结构的弯曲模量。
D＝2R2(Eben-Eflat)/Sflat
其中，D为弯曲模量，R为弯管类圆近似后的半径，Ebend-Eflat是平面和弯管结构的能量差值，Sflat为平面结构面积(晶格长度a*b)。
其中，计算能量差值时采用400eV的截断能和第一性布里源区中各个维度等于
Figure BDA0003435452990000041
的Monkhorst-Pack K点网格密度，以及/>
Figure BDA0003435452990000042
的真空层厚度，直至每个原子上的应力均小于/>
Figure BDA0003435452990000051
能量收敛到10-5eV。最后，读取每种构型的厚度，绘制4倍扩胞数下的8种结构的厚度和弯曲模量关系图，如图3所示。由图3可知，所有的褶皱石墨烯构型都具有明显的厚度和更为优异的抗弯性能。
2)计算同一结构、不同扩胞数下的褶皱石墨烯拟合弯曲模量。
将图1的左上角的褶皱石墨烯原胞沿图1的垂直方向，即图2的水平方向分别进行4、5、6、7、8倍的扩胞并弯曲成弯管后，使用CASTEP功能模块计算每种扩胞数所对应的能量差值，以不同扩胞数所对应的能量差值密度为纵轴，以2倍的圆周率除以不同扩胞数对应的弯曲方向的晶格长度后的数值为横轴，进行二次函数拟合，其拟合的二次项系数的2倍，就是同一结构、不同扩胞数下的弯曲模量间的拟合值。
Figure BDA0003435452990000052
其中，D为弯曲模量，W为能量差值密度(能量差值除以面积，即
Figure BDA0003435452990000053
)，k为曲率，就是R的倒数。D为二次拟合时的二次项系数的二倍。
其中，计算能量差值时采用400eV的截断能和第一性布里源区中各个维度等于
Figure BDA0003435452990000054
的Monkhorst-Pack K点网格密度，以及/>
Figure BDA0003435452990000055
的真空层厚度，直至每个原子上的应力均小于/>
Figure BDA0003435452990000056
能量收敛到10-5eV。同一结构、不同扩胞数下的能量差值密度-曲率二次拟合曲线图如图4所示，其中的二次项系数约为3.6，即此时的弯曲模量拟合值约为7.2eV，明显大于石墨烯(～1.4eV)，具有更为优异的抗弯性能。

Claims (6)

1.一种高弯曲模量褶皱石墨烯模型构建方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，在多个非六元碳环外围均环绕六元碳环，确保非六元碳环彼此间互不相邻，通过调整非六元碳环的数量及相对位置，直至获得具有四方晶系晶格且具有水平或竖直对称轴的初始褶皱石墨烯原胞；所述的非六元碳环包括四元碳环、五元碳环、七元碳环、八元碳环中的至少两种；
步骤2，确定步骤1得到的初始褶皱石墨烯原胞内，包含由沿水平或垂直方向连续延展且贯穿原胞的六元碳环所组成的多条六元碳环带；随后，平行于一条或多条六元碳环带的延伸方向，添加偶数层数的石墨烯纳米带，构建出具有四方晶系晶格并保持与步骤1初始褶皱石墨烯原胞对称轴相同且厚度增加的褶皱石墨烯模型；所述厚度增加的褶皱石墨烯模型中所有的碳原子均采用sp2杂化方式，层间距不小于15 Å，保证无层间相互作用。
2.根据权利要求1所述的高弯曲模量褶皱石墨烯模型构建方法，其特征在于，步骤1使用Materials Studio软件构建褶皱石墨烯原胞。
3.采用权利要求1或2任一所述的方法得到的高弯曲模量褶皱石墨烯模型。
4.应用根据权利要求3所述的高弯曲模量褶皱石墨烯模型的方法，其特征在于，将高弯曲模量褶皱石墨烯模型的原胞扩胞得到的褶皱石墨烯结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扩胞的扩胞数不小于4。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，扩胞时，使用Materials Studio或VESTA模拟软件。
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