连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法技术

本发明专利技术属于纳米碳材料技术领域，公开了一种连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法，结合原子磁性、电子自旋参数和计算量选择第一性原理分子动力学模拟，或选择适宜的原子间势函数进行经典分子动力学模拟；第一性原理分子动力学模拟方法或经典分子动力学模拟确定后，再进行模具材料、表面晶向、温度、间隙尺寸、固定和活动原子的范围、籽晶牵引速度、碳源温度、入射速度各因素参数的调整，使碳纳米材料连续、可控生长。本发明专利技术解决了碳纳米材料产率低、与基底或主产品不易分离、尺寸短、过程不可控，更不能连续生产的问题，采用分子动力学模拟方法辅助优化相关参数，连续、可控地制备出长纳米碳原子链和大面积石墨烯。

Continuous preparation of carbon nanomaterials, carbon chains and graphene

【技术实现步骤摘要】
连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法
本专利技术属于纳米碳材料
，尤其涉及一种连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：现有技术中，纳米材料的发展促进了纳米器件的研发，同时导电和导热是电子和光电设备的核心问题，而纳米电子器件由于小型化带来功率密度的迅速提高，该类问题更不易解决。因此，有效的电导和散热已成为纳米器件设计中关键问题之一。作为导电或导热性能良好的碳纳米材料之一的碳原子链和石墨烯，碳原子链是理论上直径最细的纳米材料，石墨烯是理论上厚度最薄的纳米材料，可分别用为某些纳米电子器件的导线(或连线)和基底，因此制备长尺寸的碳原子链和大面积的石墨烯材料显得尤为必要。对于目前碳原子链制备技术，所制备的纳米碳原子链大都是制备碳纳米管或石墨烯的副产品，产率低、与主产品不易分离、尺寸短、过程不可控，更不能连续生产，其制备还未有完善的工艺方法；对于目前石墨烯制备，常用物理或化学气相沉积(PVD或CVD)等方法，过程难控、产率低、面积小、与基底不易分离、不能连续生产。再者，制备石墨烯的现有技术中，CVD生长主要依靠前驱碳氢化合物气体(甲烷、乙烷等)裂解产生碳原子，并在合适的基底表面生长得到石墨烯。其过程一般是在适当的高温情况下，使Cu基底表面形成Cu单晶表面，然后进行外延异质生长；或者控制单点成核结晶，从而得到高品质石墨烯。现有技术公开一种生产大尺寸的单层石墨烯单晶方法。该技术采用的基本生长原理被称之为“进化选择生长”(Evolutionaryselectiongrowth)。大尺寸单晶消除了多晶石墨烯中各个畴之间互连所产生的薄弱点，最终生长最快的晶粒占据主导地位，得到高品质的单晶石墨。基于该原理，相继开发了一种易于拓展成卷对卷形式的CVD量产装置：H2/Ar混合气体正常通入炉内，CH4/Ar混合前驱气体以小尺寸喷嘴的形式对准Cu/Ni基底，整体温度保持在1000℃以上，基底以1～2cm/s的速度均匀移动。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)目前制备的碳纳米材料产率低、与基底不易分离、尺寸短、过程不可控，更不能连续生产。(2)目前制备纳米碳原子链大都是制作碳纳米管或石墨烯的副产品，但产率低、与主产品不易分离、尺寸短、过程不可控，更不能连续生产。(3)现有技术中石墨烯制备过程难控、产率低、石墨烯面积小，基底与石墨烯片不易分离。制备碳纳米材料中的石墨烯的方法存在重复性差或制备过程难以精确控制。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法。本专利技术是这样实现的，一种连续制备碳纳米材料的方法，所述连续制备碳纳米材料的方法包括：结合原子磁性、电子自旋参数和计算量选择第一性原理分子动力学模拟，或选择适宜的原子间势函数进行经典分子动力学模拟；第一性原理分子动力学模拟方法或经典分子动力学模拟确定后，再进行模具材料、表面晶向、温度、间隙尺寸、固定和活动原子的范围、籽晶牵引速度、碳源温度、入射速度各因素参数的调整，使碳纳米材料在模拟过程中连续、可控生长。进一步，所述连续制备碳纳米材料的方法进一步包括：步骤一，建立生长所用的晶格模具模型、选择原子间势函数及选择分子动力学模拟方法；步骤二，进行分子动力学模拟，将碳原子链或石墨烯籽晶插入晶格模具的通孔或狭缝中，籽晶左端露出摸具，通孔或狭缝右端留有空间，然后将碳源以一定流量、一定速度从通孔或狭缝右端注入，碳源在通孔或狭缝内向左运动后与籽晶链接成键，同时以匹配的速度向左牵引籽晶左端，带动整个碳纳米材料向左移动，为碳源注入留下空间；步骤三，进行步骤一～步骤二重复循环，使碳纳米材料连续、可控地生长。进一步，步骤一中，所述晶格模型包括模型框架、模具和碳纳米材料籽晶，模具中有以直径为R的通孔或有宽度为h的狭缝；以Cu、Ni、Au、Ag、Pt金属或合金晶体作为模具，晶格模具中开有直径为R的通孔或宽度为h的狭缝；所述通孔在晶格中的晶体方向选择[111]、[110]、[001]晶向，通孔直径R的取值范围为：所述狭缝在晶格中的晶面选择(111)、(110)、(001)晶面，狭缝宽度h的取值范围为：进一步，步骤一选择分子动力学模拟方法中，结合原子磁性、电子自旋和计算量等因素进行第一性原理分子动力学模拟，或选择进行经典分子动力学模拟，进行经典分子动力学模拟时，碳原子链采用Tersoff势函数或REBO势函数、模具金属采用EAM势函数、碳原子和金属原子间的势函数采用Lennar-Jones势或Mores势。进一步，通孔周边大于距离若干原子被固定，剩余原子和碳纳米材料籽晶在温度达于30K，且小于金属或合金熔点的2/3模拟温度下驰豫和热振动；模拟中碳纳米材料籽晶左端若干个原子以速度小于速度被牵引向左；步骤二中，注入的整模具温度小于1200K且小于金属或合金熔点的2/3；碳源温度小于1500K。本专利技术的另一目的在于提供一种实施所述连续制备碳纳米材料的方法制备的碳纳米器件。本专利技术的另一目的在于提供一种连续制备碳原子链的方法，所述连续制备碳原子链的方法包括以下步骤：步骤1，选择相关分子动力学模拟所用原子间势函数，并建立生长所用的晶格模具模型；步骤2，进行分子动力学模拟，将碳原子链籽晶插入晶格摸具中的通孔中，籽晶左端露出通孔，通孔右端留有空间；将碳源从通孔右端注入；碳源在通孔内向左运动后与碳原子链籽晶链接成键，形成碳原子链新的组成部分，同时以调整后的匹配的速度向左牵引籽晶左端，带动整个碳原子链向左移动，为碳源注入留下空间；步骤3，进行步骤1～步骤2的重复循环，使碳原子链得以连续、可控地生长。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述连续制备碳原子链的方法制备的具有导电/热性能的碳原子链纳米器件。本专利技术的另一目的在于提供一种连续制备石墨烯的方法，所述连续制备石墨烯的方法包括以下步骤：步骤1，选择相关分子动力学模拟所用原子间势函数，并建立生长所用的晶格模具模型；步骤2，进行分子动力学模拟，将石墨烯籽晶插入晶格摸具中的狭缝中，籽晶左端露出狭缝，狭缝右端留有空间；将碳源从狭缝右端注入；碳源在狭缝内向左运动后与石墨烯籽晶链接成键，形成石墨烯新的组成部分，同时以调整后的匹配的速度向左牵引籽晶左端，带动整个石墨烯向左移动，为碳源注入留下空间；步骤3，进行步骤1～步骤2的重复循环，使石墨烯得以连续、可控地生长。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述连续制备石墨烯的方法制备的具有导电/热性能的石墨烯纳米器件。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术采用分子动力学模拟辅助优化相关参数，提出了一种连续、可控地制备出长碳纳米材料、纳米碳原子链和大面积石墨烯的方法。解决了目前制备的碳纳米材料产率低、与主产品不易分离、尺寸短、过程不可控，更不能连续生产。解决了目前制备的纳米碳原子链大都是制作碳纳米管或石墨烯的副产品，产率低、与主产品不易分离、尺寸短、过程不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述连续制备碳纳米材料的方法包括：结合原子磁性、电子自旋参数和计算量选择第一性原理分子动力学模拟，或选择适宜的原子间势函数进行经典分子动力学模拟；第一性原理分子动力学模拟方法或经典分子动力学模拟确定后，再进行模具材料、表面晶向、温度、间隙尺寸、固定和活动原子的范围、籽晶牵引速度、碳源温度、入射速度各因素参数的调整，使碳纳米材料在模拟过程中连续、可控生长。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述连续制备碳纳米材料的方法包括：结合原子磁性、电子自旋参数和计算量选择第一性原理分子动力学模拟，或选择适宜的原子间势函数进行经典分子动力学模拟；第一性原理分子动力学模拟方法或经典分子动力学模拟确定后，再进行模具材料、表面晶向、温度、间隙尺寸、固定和活动原子的范围、籽晶牵引速度、碳源温度、入射速度各因素参数的调整，使碳纳米材料在模拟过程中连续、可控生长。


2.如权利要求1所述的连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述连续制备碳纳米材料的方法进一步包括：
步骤一，建立生长所用的晶格模具模型、选择原子间势函数及选择分子动力学模拟方法；
步骤二，进行分子动力学模拟，将碳原子链或石墨烯籽晶插入晶格模具的通孔或狭缝中，籽晶左端露出摸具，通孔或狭缝右端留有空间，然后将碳源以一定流量和流速从通孔或狭缝右端注入，碳源在通孔或狭缝内向左运动后与籽晶链接成键，同时以匹配的速度向左牵引籽晶左端，带动整个碳纳米材料向左移动，为碳源注入留下空间；
步骤三，进行步骤一～步骤二重复循环，使碳纳米材料连续、可控地生长。


3.如权利要求2所述的连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤一中，所述晶格模型包括模型框架、模具和碳纳米材料籽晶，模具中有以直径为R的通孔或有宽度为h的狭缝；
以Cu、Ni、Au、Ag、Pt金属或合金晶体作为模具，晶格模具中开有直径为R的通孔或宽度为h的狭缝；所述通孔在晶格中的晶体方向选择[111]、[110]、[001]晶向，通孔直径R的取值范围为：所述狭缝在晶格中的晶面选择(111)、(110)、(001)晶面，狭缝宽度h的取值范围为：


4.如权利要求2所述的连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤一选择分子动力学模拟方法中，结合原子磁性、电子自旋和计算量等因素进行第一性原理分子动力学模拟，或选择进行经典分子动力学模拟，进行经典分子动力学模拟时，碳原子链采用Tersoff势函数或REBO势函数、模具金属采用EAM势函数进行经典分子动力学模拟，碳原子和金属原子间的势函数采用Lennar-Jones势或Mores势。


5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤富领，叶文海，薛红涛，卢学峰，李俊琛，任军强，何天祥，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62