一种具有高效转化率的纳米发电机及其设计方法与流程

本发明涉及纳米发电机领域，特别是涉及一种具有高效转化率的纳米发电机及其设计方法。

背景技术：

纳米发电机是将p型半导体或者n型半导体与二维磷表面衬体交互作用，通过n型半导体在表面输出电子，p型半导体在表面得到电子，在外接电路的作用下形成回路，达到稳定的纳米级发电装置。纳米发电机由于其独特的稳定性，环保性，重复利用性以及高输出功率的优势，成为诸多纳米电子器件的热门研究领域。而其独特的设计感念也成为纳米发电机成为新一代热门机械器件。而如今，如何找到更稳定的吸附结构和提高分子吸附后电子传输效率成为提高纳米发电机功能的关键。

tetrafluorotetracyanoquinodimethane（f4tcnq），benzylviologen(bv)分子吸附在不同在二维材料表面有较高稳定性已经得到各类研究二维材料人员的印证。f4tcnq是p型分子，即当其吸附在二维材料上，使二维材料成为p型半导体，bv则是n型分子，即当其吸附在二维材料上，使二维材料成为n型半导体。它们的稳定性都要大于其它的p型和n型分子，成为纳米发电机优选的研究分子。

纳米新能源（唐山）有限责任公司提出了一件关于集成纳米发电机的中国专利申请（申请号：201210199363.3），增强了输出电压。该集成纳米发电机由至少两个串联集成单元m在大面积的覆有砂粒的金属层上平行集成，串联集成单元m由至少两个纳米发电机在垂直于金属层方向串联集成，使输出电流和电压性能高，能将机械运动转化成电能。但是，由于需要大面积的金属层，提高了能耗和成本，而本文提出的利用吸附能转换成电能，无限循环使用的新型纳米发电机，却大大改善了设计上的欠缺。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高效转化率的纳米发电机及其设计方法，解决了能耗成本高，利用率低等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种纳米发电机，包括磷烯二维材料基底、强电子受体和强电子施体、外加电路和谐振器，所述的强电子受体和强电子施体分别与磷烯二维材料基底以范德华力连接，并在外加电路的作用下通过谐振器带动所述强电子受体和强电子施体振动形成电流回路。

进一步的，强电子受体优选f4tcnq分子，强电子施体优选bv分子。

进一步的，磷烯二维材料优选γ-p二维材料。

上述纳米发电机的设计方法，包括如下步骤：

（1）构建二维磷烯γ-p单层结构模型，并对其进行结构优化得到其稳定结构；

（2）分别构建强电子受体f4tcnq分子和强电子施体bv分子的结构模型，并分别进行结构优化得到其稳定结构；

（3）再将优化好的f4tcnq和bv分子（即步骤（2）所述的稳定结构）放在优化好的二维磷γ-p（即步骤（1）所述的稳定结构）表面的不同吸附位上，再分别对放在不同吸附位上的结构进行结构优化，计算不同吸附位上的吸附能，找出其最稳定结构；

（4）计算步骤（3）最稳定结构中的f4tcnq和bv分子的bader电荷转移量，并计算该最稳定结构的电流量，得到其应用时的功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明具有高效转化率的纳米发电机包含f4tcnq和bv分子作为吸附分子，其具有较大的吸附能，而选用的γ-p二维材料与黑磷及蓝磷等二维材料相比，具有较高的稳定性。

（2）分子与基底二维材料通过范德华力连接，在运行发电过程中，分子反复震动并不会对基底和分子造成损害，具有极其稳定可操作性的特点。

（3）同时分子吸附在γ-p二维材料上形成的吸附体系与f4tcnq/phosphorene以及bv/phosphorene相比具有较高和接近的电荷转移量（f4tcna分子可以从基底二维材料得到0.72ǀeǀ，而bv分子可以向基底二维材料传输0.76ǀeǀ），电荷转移量的利用率高达94.73%，远远高于之前研究黑磷的效率47.54%，并且吸附分子可以反复使用，大大减少能源消耗。

（4）本发明通过f4tcnq和bv分子吸附，使其具有稳定的结构性能和高效的使用性。

附图说明

图1是本发明的有高效转化率的纳米发电机的发电原理图。

图2是本发明的有高效转化率的纳米发电机的f4tcnq/γ-p的吸附俯视图。

图3是本发明的有高效转化率的纳米发电机的f4tcnq/γ-p的吸附主视图。

图4是本发明的有高效转化率的纳米发电机的bv/γ-p的吸附俯视图。

图5是本发明的有高效转化率的纳米发电机的bv/γ-p的吸附主视图。

图6是本发明的有高效转化率的纳米发电机的f4tcnq/γ-p的bader电荷转移图。

图7是本发明的有高效转化率的纳米发电机的bv/γ-p的bader电荷转移图。

图8是本发明的有高效转化率的纳米发电机的输出功率与频率关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述。

本发明所述的纳米发电机，包括磷烯二维材料基底、强电子受体f4tcnq分子和强电子施体bv分子、外加电路和谐振器，所述的f4tcnq分子和bv分子分别与磷烯二维材料基底以范德华力连接，在外加电路的作用下通过谐振器带动f4tcnq分子和bv分子振动形成电流回路。

其中，强电子受体f4tcnq分子，强电子施体bv分子，这两种分子分别是n型分子和p型分子中转移电子能力很强的分子，经过计算发现，将f4tcnq和bv分子组合做为发电机驱动发电分子是最高效的优选方案。

磷烯二维材料优选γ-p二维材料。现阶段通过实验和计算模拟共得到4种可能存在的二维磷结构，由于γ-p二维材料有稳定的结构性能，其电子输运性质易受分子掺杂对它的影响，成为这四类材料的首选。

本发明所述的纳米发电机的设计方法，包括如下步骤：

第1步

1.1构建二维磷烯γ-p单胞结构：晶格常数扶手椅边为3.28å，锯齿形边为5.43å，加20å的真空层导出；

1.2使用了fhi-aims软件，以第一性原理为理论基础，采用pbe泛函进行结构优化：能量收敛精度为1*10^-3mev/atom，力的收敛精度为10^-5ev/å，采用15*15*1的k点网格，计算所用的赝势为全电子赝势；

1.3对优化后的结构supercell，得到单层稳定的γ-p二维材料。

第2步

2.1在ms中分别构建出f4tcnq分子和bv分子的结构模型；

2.2并对其进行结构优化得到其稳定结构：本发明使用了fhi-aims软件，以第一性原理为理论基础，采用pbe+vdw的泛函，能量收敛精度为1*10^-3mev/atom，力的收敛精度为10^-5ev/å，采用9*9*1的k点网格，计算所用的赝势为全电子赝势，从而可以获得准确度更高的f4tcnq和bv分子的稳定结构。

第3步

3.1将优化后的f4tcnq分子和bv分子放在单层稳定的γ-p二维材料的不同吸附位上：采用pbe+vdw泛函，能量收敛精度为1*10^-3mev/atom，力的收敛精度为10^-5ev/å，采用3*3*1的k点网格，计算所用的赝势为全电子赝势；

3.2并分别计算该稳定吸附位下的吸附能，找到最稳定的吸附位，确定最稳定的结构。

第4步

计算步骤（3）最稳定结构中的f4tcnq和bv分子的bader电荷转移量，并计算该最稳定结构的电流量，得到其应用时的功率。

第5步

画出输出电压与吸附能关系的匹配图。

实施例

如图1-8所示，本发明提供一种纳米发电机，包括f4tcnq和bv分子、干净的二维磷γ-p表面。

首先制备f4tcnq和bv分子。在ms中构建出f4tcnq和bv分子的结构，并对其进行计算得到优化好的结构。我们使用了fhi-aims软件，以第一性原理为理论基础，采用pbe+vdw的泛函，从而可以获得准确度更高的f4tcnq和bv分子，

f4tcnq和bv分子放在二维磷γ-p表面上的顶位或者穴位位置上。

f4tcnq分子由c、f、n三种原子构成，分子式为c12f4n4；bv分子由c、f、h三种原子构成，分子式为c24f2h22。

衬体二维磷γ-p单层构型，磷原子上下交替，构成类似石墨烯的蜂窝状的二维材料，f4tcnq分子衬底是64磷原子，bv分子衬底是80磷原子。特别的，衬体二维磷γ-p必须是干净无杂质的。

然后对优化后的结构进行bader电荷计算，得到f4tcnq和bv分子转移得失电荷量。

根据一个优选实施方式，我们采用pbe+vdw^surf为泛函。在二维材料中范德华力已经成为必不可少的考虑因素因此在优化结构时考虑到范德华力的影响使得计算结果更加真实有效。