一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，包括：A选取一端封闭，另一端边缘为扶手椅型的C(6.6)单壁纳米管；B在石墨烯片层原材料中选取一个零维石墨烯纳米盘，将零维石墨烯纳米盘的中心部位进行碳原子去除以形成缺陷形状，缺陷形状与步骤A中的C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘相匹配；C将所述C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘与所述零维石墨烯纳米盘中心部位的缺陷形状通过C-C单键相对接。本发明的设计方法通过将石墨烯进行缺陷修饰，再与碳纳米管相结合，使整个结构的稳定性与内部电子的交换与传导得到提高，提高其结合能并降低其离化能，使此复合材料呈现出极佳场发射性质。
【专利说明】一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方
法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合材料场发射器件设计方法。
【背景技术】 [0002]场发射因具有良好的理论计算意义和商业价值而逐渐成为目前最受关注的研究领域之一，在这一领域里，碳纳米管的场发射特性越来越多的受到关注，这主要归因于其独特的几何结构和新型物理特征，与传统的场发射半导体相比，碳纳米管有以下独一无二的优点:比表面高，有超强的机械特性和化学稳定性，低的电场分散性，高电流密度且可控时间长。另一方面，石墨烯因具有独特的电子特性，高比表面，独特边缘以及持续的电流密度，目前被广泛认为是一种极好的场发射源。现有的沉积方法是石墨烯以片层结构平铺于整个基底上或者杂乱无章的分布于材料中，缺乏组装技术，因而限制了场发射性能的提高。随着社会的飞速发展，人们对场发射的性能要求越来越高。为了得到一种性能更加优良的场发射器件，在此本人发明设计一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件已满足对极佳性能的场发射器件的要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种基于微纳电子制造的缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，以解决高电场，微尺度化下电子器件的稳定性差，离化能居高不下等问题。
[0004]本发明采用的技术方案如下:一种缺陷型石墨烯碳纳米管场复合结构场发射器件的设计方法，依次采用如下步骤:1)选取c(6.6)单壁纳米管，其一端封闭，另一端边缘为扶手椅型；2)根据需要在石墨烯片层原材料中选取一个零维石墨烯纳米盘，并进行缺陷修饰；
3)通过C-C单键将两种材料在竖直方向上对应相连接的。
[0005]所述步骤I)的具体过程为:选取的石墨烯是由碳原子组成的六角晶胞的“蜂窝”状结构，我们从石墨烯片层选取一个零维石墨烯纳米盘，纳米盘的最大直径为23.981A，由5个碳原子环依次相连，共150个碳原子组成；所述零维石墨烯纳米盘边缘为锯齿形，将所述零维石墨烯纳米盘边缘的悬键用30个氢原子饱和以确保结构稳定性，将其中心部位的12个碳原子去除以形成缺陷形状。
[0006]所述步骤2)中选取C(6.6)单壁纳米管，其一端封闭，另一端边缘为扶手椅，总长度为10.287 A，有9层碳原子环构成，共96个碳原子组成。此种碳纳米管已被证实具有较好的场发射性能，并已运用在较多的科学实验中。
[0007]所述步骤3)中两种碳原子同素异形结构的复合是通过C-C单键在竖直方向上对应相连接的，此复合结构通过优化发现结构变化较小，说明本身此材料就具有良好的稳定性。
[0008]一种不同电场下对权利要求1中缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件进行结合能及离化能的计算方法，包括如下步骤。
[0009](I)结构优化和相应的能量计算都是用DMol3程序包来完成。计算采用广义梯度近似GGA，用PBE交换关联泛函进行关联梯度修正，自旋极化波函数用DNP双数值基组展开。优化和计算过程不设任何自旋及对称性限制。截断半径统一选取4.4 A，自洽过程是在能量和电子密度的收敛标准达到10-5 au下完成。
[0010](2)为研究碳纳米管的场发射特性，沿石墨烯碳纳米管纵向轴方向施加外加电场E, 0V/A,0.25 V/A, 0.5 V/A, 0.75 V/A, I V/A, 1.25 V/A 和 1.5 V/A。 [0011](3)可以通过以下公式 Eb= (E1-Et) , IP=E [charge=l]_E [charge=0]求得复合结构的结合能与离化能。其中，Eb为结合能，Ei为独力原子的总能，Et为系统的总能量，IP为离化能，E [charge=l]为带正电复合结构能量，E [charge=0]为中性复合结构能量。
[0012]本发明通过对石墨烯进行缺陷修饰，再与碳纳米管在微纳尺度下的直接复合，在高电场下呈现出极佳的稳定性与内部电子传导特性，提高其结合能，降低其离化能，从而大幅度提闻了其场发射特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为形成缺陷形状后的零维石墨烯纳米盘结构示意图。
[0014]图2为C (6.6)单壁纳米管结构示意图。
[0015]图3为缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的结构示意图。
[0016]图4为缺陷型石墨烯碳纳米管场复合结构场发射器件在不同电场的结合能变化曲线。
[0017]图5为缺陷型石墨烯碳纳米管场复合结构场发射器件在不同电场的离化能变化曲线。
[0018]图中，箭头表示在这两种材料复合后的纵轴方向施加的电场；1为碳纳米管管帽，2为单键连接区，3为零维石墨烯边缘区。
【具体实施方式】
[0019]在考虑了石墨烯，碳纳米管两种碳材料的独特性能的基础上，本实施方式建立了一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构，依次采用如下步骤:1)选取c(6.6)单壁纳米管，其一端封闭，另一端边缘为扶手椅型；其中，C (6.6)单壁纳米管由9层碳原子环构成，总长度为10.287 A，共96个碳原子组成。2)根据需要在石墨烯片层原材料中选取一个零维石墨烯纳米盘，并进行缺陷修饰；其中，石墨烯片层是由碳原子组成的六角晶胞的“蜂窝”状结构，从石墨烯片层原材料中选取的零维石墨烯纳米盘的形状为正六边形，所述零维石墨烯纳米盘的最大直径为23.981A，由5个碳原子环依次相连，共150个碳原子组成；所述零维石墨烯纳米盘边缘为锯齿形，将所述零维石墨烯纳米盘边缘的悬键用30个氢原子饱和以确保结构稳定性，将其中心部位的12个碳原子去除。3)将C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘与所述零维石墨烯纳米盘中心部位的缺陷形状通过C-C单键竖直方向上对应相连接。本实施方式希望通过这两种优良的场发射材料的结合以及缺陷修饰获得具备更加优异场发射特性的新材料。
[0020]本发明为场发射器件，希望在不同电场条件下，通过两种优良场发射材料的直接复合与缺陷修饰来提高材料场发射特性的各项参数指标。为获得场发射性能优秀的微纳电器件提供理论计算支持，通过理论计算模拟缺陷性石墨烯碳纳米管复合结构的场发射特性(结合能及离化能等)以缩短新产品的研发周期及降低成本。首先，通过仿真软件对缺陷型零维石墨烯纳米盘、C(6.6)碳纳米管结构建模见图1、2，再将两个同素异形结构通过C-C单键连接见图3，在电场作用下此复合材料的微小带隙有利于电子更加容易的激发到真空中。
[0021]接着,通过结合能计算公式:Eb=(E1-Et)、IP=E [charge=l]_E [charge=0],计算得出在不同电场条件下，此结构的结合能随着电场变化的变化曲线，具体可见图4。可以发现，随着电场的增大，结构模型的结合能不断增大，说明此种场发射器件的稳定性不断增强。
[0022]最后,通过功函数公式IP=E [charge=l]-E [charge=0]计算得出不同电场条件下离化能随着电场变化的变化曲线，具体见图5。可以发现，电场对于离化能影响十分明显；都是随着电场的增大而不断减小，说明此种器件的场发射性能在不断提高。本发明所设计的基于缺陷性石墨烯碳纳米管复合结构的场发射器件的方案是可行的。这将为以后场发射器件的产品研发和工业制 造提供了理论基础，为缩短研发周期和降低成本具有一定的价值。
[0023]本发明的设计方法通过对石墨烯进行缺陷修饰，再与碳纳米管相结合，使整个结构的稳定性与内部电子的交换与传导得到提高，提高其结合能，降低其离化能，使此复合材料呈现极佳的场发射性质。因此，本发明缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法对于其产品研发及工业制造具有一定的理论价值和指导意义。
【权利要求】
1.一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，包括如下步骤: A选取一端封闭，另一端边缘为扶手椅型的C(6.6)单壁纳米管； B在石墨烯片层原材料中选取一个零维石墨烯纳米盘，将所述零维石墨烯纳米盘的中心部位进行碳原子去除以形成缺陷形状，所述缺陷形状与步骤A中所述的C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘相匹配； C将所述C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘与所述零维石墨烯纳米盘中心部位的缺陷形状通过C-C单键相对接。
2.根据权利要求1所述的一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，其特征在于，所述步骤A中的C(6.6)单壁纳米管由9层碳原子环构成，总长度为10.287A，共96个碳原子组成。
3.根据权利要求1所述的一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，其特征在于，步骤B中，所述石墨烯片层是由碳原子组成的六角晶胞的“蜂窝”状结构，从石墨烯片层原材料中选取的零维石墨烯纳米盘的形状为正六边形，所述零维石墨烯纳米盘的最大直径为23.981A，由5个碳原子环依次相连，共150个碳原子组成；所述零维石墨烯纳米盘边缘为锯齿形，将所述零维石墨烯纳米盘边缘的悬键用30个氢原子饱和以确保结构稳定性；将所述零维石墨烯纳米盘的中心部位的12个碳原子去除以形成缺陷形状。
4.根据权利要求1所述的一种缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件的设计方法，其特征在于，所述步骤C中所述C(6.6)单壁纳米管的扶手椅型边缘与所述零维石墨烯纳米盘中心部位的缺陷形状相对接是通过C-C单键在竖直方向上相对接的。
5.一种不同电场下对权利要求1中缺陷型石墨烯碳纳米管复合结构场发射器件进行结合能及离化能的计算方法，包括如下步骤: D结构优化和相应的能量计算都是用DMol3程序包来完成；计算采用广义梯度近似GGA，用PBE交换关联泛函进行关联梯度修正，自旋极化波函数用DNP双数值基组展开；优化和计算过程不设任何自旋及对称性限制；截断半径统一选取4.4 A，自洽过程是在能量和电子密度的收敛标准达到10-5 au下完成； E为研究碳纳米管的场发射特性，沿石墨烯碳纳米管纵向轴方向施加外加电场E，OV/Α，0.25 V/A, 0.5 V/A, 0.75 V/A, I V/A, 1.25 V/A 和 1.5 V/A ； F通过公式Eb= (E1-Et), IP=E [charge=l]-E [charge=0]求得复合结构的结合能与离化能；其中，Eb为结合能，Ei为独力原子的总能，Et为系统的总能量，IP为离化能，E[charge=l]为带正电复合结构能量，E [charge=0]为中性复合结构能量。
【文档编号】B82B3/00GK103641105SQ201310605297
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】杨平, 宫杰, 杨海樱 申请人:江苏大学