一种二维褶皱材料纳米管性能分析方法

1.本发明涉及模拟计算技术领域，具体而言，涉及一种二维褶皱材料纳米管性能分析方法。


背景技术：

2.自碳纳米管问世以来，大量的理论和实验研究成果证明了碳纳米管拥有丰富多样的性能。由于纳米管具有纳米级的尺寸，特殊的管状结构和优良的物理化学特性，使其在纳米材料级电子元器件的应用领域具有巨大潜力。
3.其中，碳纳米管从结构上可以视为由二维石墨烯材料验证一定的方向卷曲而成的材料。而碳纳米管为二维平面材料卷曲形成的，目前尚没有二维皱褶材料制得的纳米管的相关研究，对其性能也没有了解。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何提供一种二维褶皱材料纳米管的结构设计和性能分析方法，研究二维褶皱材料形成的纳米管的性能，为新材料的设计和计算提供思路。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种二维褶皱材料纳米管性能分析方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、将不同宽度的二维褶皱材料分别沿两个周期方向卷曲，构建得到不同管径大小的扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管，然后对其进行原子弛豫，获得稳定的结构；
7.步骤s2、分别计算所述扶手椅型二维褶皱纳米管和所述锯齿型二维褶皱纳米管的能带和态密度；
8.步骤s3、计算不同应力条件下，所述扶手椅型二维褶皱纳米管和所述锯齿型二维褶皱纳米管的能带结构，分析其电学行为；
9.步骤s4、计算所述扶手椅型二维褶皱纳米管和所述锯齿型二维褶皱纳米管的杨氏模量。
10.优选地，所述二维褶皱材料包括ges、gese、sns或snse。
11.优选地，所述步骤s1中，采用第一性原理计算软件vasp基于密度泛函理论采用投影缀加波方法进行密度泛函理论计算，在广义梯度近似perdew-burke-ernzerhof交换泛函下进行原子弛豫。
12.优选地，截断能设置为450ev，k点网格设置为1
×1×
17，能量和力的收敛阈值分别设置为10-4
ev和
13.优选地，在所述扶手椅型二维褶皱纳米管和所述锯齿型二维褶皱纳米管的非周期方向上设置的真空厚度。
14.优选地，所述扶手椅型二维褶皱纳米管包括11-11、13-13、15-15、17-17和19-19纳米管，所述锯齿型二维褶皱纳米管包括11-0、13-0、15-0、17-0和19-0纳米管。
15.优选地，所述步骤s3中，计算所述扶手椅型二维褶皱纳米管在应变为-8％～8％范围内的能带结构。
16.优选地，所述步骤s3中，计算所述锯齿型二维褶皱纳米管在应变为-6％～6％范围内的能带结构。
17.优选地，所述步骤s4中，在所述扶手椅型二维褶皱纳米管或所述锯齿型二维褶皱纳米管的轴向上施加不同的弹性形变，并在每个形变过程中对所有原子进行完全弛豫，得到每个形变时所述扶手椅型二维褶皱纳米管或所述锯齿型二维褶皱纳米管的结合能，对所述弹性形变和所述结合能拟合曲线即可得到杨氏模量结果。
18.优选地，所述弹性形变的范围为-1.75％～1.75％。
19.本发明通过模拟计算方法使二维褶皱材料沿两个不同周期方向卷曲，构建得到扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管，并通过第一性原理计算方法对构建得到的纳米管电学性质以及应变对其电学行为的调控进行了系统研究，能够了解不同二维褶皱纳米管的性能，为新材料的设计提供了思路，加快了新材料的开发效率。
附图说明
20.图1为本发明实施例中二维褶皱材料纳米管性能分析方法的流程图；
21.图2为本发明实施例中11-11和19-19扶手椅型ges纳米管结构示意图；
22.图3为本发明实施例中11-0和19-0锯齿型纳米管结构示意图；
23.图4为本发明实施例中扶手椅型ges纳米管的能带结构和态密度图；
24.图5为本发明实施例中锯齿型ges纳米管的能带结构和态密度；
25.图6为本发明实施例中11-11扶手椅型ges纳米管在不同应变条件下的能带结构图；
26.图7为本发明实施例中11-0锯齿型ges纳米管在不同应变条件下的能带结构图；
27.图8为本发明实施例中11-11，13-13和15-15扶手椅型ges纳米管形变和结合能拟合曲线图。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
30.本发明实施例提供一种二维褶皱材料纳米管性能分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
31.步骤s1、将不同宽度的二维褶皱材料分别沿两个周期方向卷曲，构建得到不同管径大小的扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管，然后对其进行原子弛豫，获得稳定的结构；
32.步骤s2、分别计算扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管的能带和态
密度；
33.步骤s3、计算不同应力条件下，扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管的能带结构，分析其电学行为；
34.步骤s4、计算所述扶手椅型二维褶皱纳米管和所述锯齿型二维褶皱纳米管的杨氏模量。
35.通过模拟计算方法使二维褶皱材料沿两个不同周期方向卷曲，构建得到扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管，并通过第一性原理计算方法对构建得到的纳米管电学性质以及应变对其电学行为的调控进行了系统研究，能够了解不同二维褶皱纳米管的性能，为新材料的设计提供了思路，加快了新材料的开发效率。
36.其中，二维褶皱材料包括ges、gese、sns或snse。
37.步骤s1中，通过将不同宽度的二维褶皱材料沿两个周期方向卷曲构建得到不同管径大小的扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管，其中，二维褶皱材料的初始宽度决定了卷曲后得到纳米管的管径大小，而沿不同的周期方向则形成了不同的连接方式，从而分别得到扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管。然后，采用第一性原理计算软件vasp基于密度泛函理论采用投影缀加波方法进行密度泛函理论计算，在广义梯度近似perdew-burke-ernzerhof交换泛函下进行原子弛豫。
38.具体地，原子弛豫过程中，截断能设置为450ev，k点网格设置为1
×1×
17，能量和力的收敛阈值分别设置为10-4
ev和并在纳米管的非周期方向上设置的真空厚度，从而避免相邻单元之间的相互作用。
39.示例性地，通过将不同宽度的二维褶皱材料沿两个周期方向卷曲，得到扶手椅型二维褶皱纳米管包括11-11、13-13、15-15、17-17和19-19纳米管，锯齿型二维褶皱纳米管包括11-0、13-0、15-0、17-0和19-0纳米管。
40.步骤s2中，分别计算扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管的能带和态密度，其中计算参数与上述原子弛豫中参数一致，根据计算结果分析不同管径和不同结构纳米管能带结构的变化规律。
41.步骤s3中，计算不同应力条件下，扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管的能带结构，分析其电学行为。其中，计算扶手椅型二维褶皱纳米管在应变为-8％～8％范围内的能带结构，锯齿型二维褶皱纳米管在应变为-6％～6％范围内的能带结构。
42.步骤s4中，在扶手椅型二维褶皱纳米管或锯齿型二维褶皱纳米管的轴向上施加不同的弹性形变，并在每个形变过程中对所有原子进行完全弛豫，得到每个形变时所扶手椅型二维褶皱纳米管或锯齿型二维褶皱纳米管的结合能，对弹性形变和结合能拟合曲线即可得到杨氏模量结果。其中，弹性形变的范围设置为-1.75％～1.75％。
43.下面结合具体实施例介绍二维褶皱材料纳米管性能分析方法：
44.实施例
45.1.1、通过将不同宽度的ges纳米片沿两个周期方向卷曲构建得到11-11、13-13、15-15、17-17和19-19的扶手椅型ges纳米管和11-0、13-0、15-0、17-0和19-0的锯齿型ges纳米管，然后采用第一性原理计算软件vasp基于密度泛函理论(dft)采用投影缀加波(paw)方法进行密度泛函理论计算，在广义梯度近似(gga)perdew-burke-ernzerhof(pbe)交换泛函下进行原子弛豫，截断能设置为450ev，k点网格设置为1
×1×
17，能量和力的收敛阈值分别
设置为10-4
ev和并在纳米管的非周期方向上设置的真空厚度，从而避免相邻单元之间的相互作用；
46.如图2和图3所示，图2为11-11和19-19扶手椅型ges纳米管结构示意图，图3为11-0和19-0锯齿型纳米管结构示意图。
47.1.2、分别计算扶手椅型二维褶皱纳米管和锯齿型二维褶皱纳米管的能带和态密度，其中计算参数与步骤1.1中参数一致；
48.表1不同纳米管的管径和电学性质
[0049][0050]
如表1所示，为不同纳米管的管径和电学性质，其中11-11、13-13、15-15、17-17和19-19为扶手椅型ges纳米管，而11-0、13-0、15-0、17-0和19-0为锯齿型ges纳米管，d为管径，单位为gap为带隙，单位为ev，其中id表示为间接带隙，而d表示为直接带隙。
[0051]
从表1可以看出，随着管径的增大，扶手椅型ges纳米管的带隙逐渐增大并且在间接带隙和直接带隙间相互转换；锯齿型ges纳米管的带隙值也随着管径的增大和增大，但是不同管径大小的锯齿型ges纳米管均为间接带隙；
[0052]
如图4和图5所示，其中，图4为扶手椅型ges纳米管的能带结构和态密度，图5为锯齿型ges纳米管的能带结构和态密度。
[0053]
1.3、计算11-11扶手椅型纳米管在应变为-8％～8％范围内的能带结构，其中计算参数与步骤1.1中参数一致；
[0054]
如图6所示，随着施加应力由压缩向拉伸转变，纳米管的间接带隙值逐渐增大，当拉伸力达到4％时，由间接带隙转变为直接带隙，且在此之后，纳米管的直接带隙随拉伸应力的增加而减小；
[0055]
1.4、计算11-0锯齿型纳米管在应变为-6％～6％范围内的能带结构，其中计算参数与步骤1.1中参数一致；
[0056]
如图7所示，随着压缩或拉伸应力强度的增加，纳米管的带隙均表现为逐渐变小，当拉伸应力达到6％时，纳米管表现为直接带隙，并且在此范围之外，当施加压缩应力大于6％时，纳米管发生形变，而当继续增大压缩应力至20％时，纳米管的结构从锯齿型完全相变为扶手椅型；
[0057]
1.5、在11-11、13-13和15-15扶手椅型纳米管上施加-1.75％～1.75％的弹性形变，在此过程中，先压缩再拉伸共计15次形变，并在每个形变过程中对所有原子完全弛豫，得到每个形变时纳米管的结合能，对弹性形变和结合能拟合曲线即可得到杨氏模量结果；
[0058]
如图8所示，通过拟合得到的曲线可以得到11-11、13-13和15-15扶手椅型纳米管的杨氏模量分别为227.488gpa，211.888gpa和213.920gpa。
[0059]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。