一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法，包括以下步骤：使用建模软件Materials Studio建立本征石墨烯原子模型；建立石墨烯掺杂体系；建立气体分子模型；对掺杂后的石墨烯体系及气体分子进性几何优化；采用密度泛函理论结合平面波赝势方法对气体吸附于掺杂石墨烯前后的吸附结构、能带结构、态密度、差分电荷等进性仿真模拟计算。本发明专利技术实现了对金属掺杂石墨烯吸附不同气体后的体系结构、能带结构、态密度、电荷密度进行模拟仿真计算；揭示了金属掺杂石墨烯可以打开石墨烯带隙，增强电荷转移，且吸附不同气体可以不同程度地改变带隙，为研发新型石墨烯基气体传感器提供参考。感器提供参考。感器提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯气体吸附模拟仿真方法，尤其涉及一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法。

技术介绍

[0002]2004年，英国科学家Andre Geim等人利用微机械剥离法制备单层石墨烯，拉开了石墨烯研究的帷幕。石墨烯是一种由碳原子堆积形成的具有蜂窝状平面结构的二维材料，单层石墨烯厚度为0.34nm，C
‑
C共价键长为0.142nm，比表面积可达2630m2/g。研究人员发现石墨烯具有优异的物理性质且能够稳定停留在衬底上。石墨烯具有出色的理化性质，杨氏模量高达1TPa，拉伸强度为130GPa，单层石墨烯的导热系数达5300W/m
·
K，载流子迁移率可达15000cm2·
V
‑1·
s
‑1。石墨烯导带和价带在费米能级处相遇形成狄拉克点，表明其为零带隙材料。目前关于石墨烯的制备方法也层出不穷，有微机械剥离法、化学气相沉积法、电化学法等，各种制备方法生产的石墨烯扩大了石墨烯的应用场合。
[0003]随着社会工业的发展，人们可使用气体的种类及应用在不断扩张，其中不乏易燃、易爆、有毒有害气体。如何有效监测工作场景中的有害气体避免造成危害显得越来越重要。气敏传感器广泛应用于工作场所有毒有害气体的检测，如何设计一种检测精度高，稳定性好，成本可控的气敏传感器成为研究人员研究热点。
[0004]石墨烯因其巨大比表面积，对环境特别敏感，可用作气敏传感器的吸附材料，但由于石墨烯中碳原子的化学惰性以及其相对稳定的物理特性，本征石墨烯对气体分子的吸附效果较弱，这限制了石墨烯在气敏传感方面的应用。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种可对不同石墨烯掺杂基底吸附不同气体进行模拟计算的石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法。
[0006]技术方案：本专利技术所述的一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法，包括以下步骤：
[0007](1)使用建模软件Materials Studio建立本征石墨烯原子模型；
[0008](2)对本征石墨烯掺杂，建立掺杂石墨烯体系模型；
[0009](3)建立气体分子模型；
[0010](4)对掺杂后的石墨烯体系及气体分子进行几何优化；
[0011](5)采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法结合Grimme的DFT
‑
D方法和DSPP方法对气体吸附于掺杂石墨烯前后的吸附参数、能带结构、态密度、差分电荷等进性仿真模拟计算。
[0012]进一步地，所述步骤(1)中的本征石墨烯模型采用3
×3×
1至9
×9×
1大小的石墨烯超晶胞。
[0013]进一步地，所述石墨烯超晶胞在垂直于石墨烯片方向上取厚度为1
‑
3nm的真空层。
[0014]进一步地，所述步骤(2)中对本征石墨烯掺杂的金属元素为铁，金，铜，镍，银，锌，铂，钨，钼，钛，铬，钴。
[0015]进一步地，所述掺杂方式为：先去除一个碳原子，再用掺杂金属原子填补碳原子的空位。
[0016]进一步地，所述步骤(3)中的气体分子模型为有害气体NH3、CNCl和沙林。
[0017]进一步地，所述步骤(4)中的几何优化得出的模型存在1
‑
10种结构。
[0018]进一步地，所述仿真方法采用广义梯度近似(GGA)下的PBE函数来修正交换关联能；色散修正采用Grimme方法以描述如范德华力的弱相互作用；基组采用double numerical plus polarization(DNP)，采用DFT Semi
‑
core Pseudopots(DSPP)来代替价电子。
[0019]进一步地，所述仿真方法的布里渊区积分K point取3
×3×
1或5
×5×
1或7
×7×
1或9
×9×
1中的一种。
[0020]进一步地，计算时包括了各个体系吸附气体分子前后的吸附参数，能带结构，态密度，差分电荷等的分析，从而得到相对最优吸附体系。
[0021]本专利技术的模拟仿真方法通过引入掺杂、吸附原子或引入缺陷的方式打开石墨烯的带隙，可以改善石墨烯对气体的吸附效果。该方法可以对不同石墨烯掺杂基底吸附不同气体进行模拟计算，从而得到其吸附结构、能带、态密度及电荷转移等性能参数，通过对比不同掺杂体系吸附气体的参数来评价材料性能，为实际设计高性能的石墨烯气体传感器提供借鉴与参考。
[0022]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)本专利技术通过构建模型、设置计算参数、运用第一性原理计算软件包实现了金属掺杂石墨烯吸附各种气体前后的吸附参数、能带结构、态密度、差分电荷密度等的计算；(2)本专利技术计算结果表明了不同过渡金属掺杂石墨烯可以不同程度打开本征石墨烯的零带隙；(3)本专利技术计算结果表明：过渡金属的掺杂会改变气体与石墨烯基底之间的吸附作用，并导致电荷转移；(4)本专利技术揭示了不同的气体与石墨烯基底之间的吸附会不同程度的改变吸附体系带隙的机制，且石墨烯基底对不同气体也存在吸附强弱的关系，为高性能石墨烯气体传感器的吸附材料选择提供理论参考。
附图说明
[0023]图1是本征石墨烯结构示意图；
[0024]图2是过渡金属(银、金、铜和铁)掺杂石墨烯结构示意图；
[0025]图3是几何优化后的过渡金属(银、金、铜和铁)掺杂石墨烯结构示意图；
[0026]图4是几何优化后的过渡金属(银、金、铜和铁)掺杂石墨烯能带图；
[0027]图5是几何优化后的过渡金属(银、金、铜和铁)掺杂石墨烯态密度图；
[0028]图6是优化后的气体分子(氨气、氯化氰和沙林)结构示意图；
[0029]图7是气体分子(氨气、氯化氰和沙林)吸附于铁掺杂石墨烯基底体系结构图；
[0030]图8是气体分子(氨气、氯化氰和沙林)吸附于铁掺杂石墨烯基底体系能带图；
[0031]图9是氯化氰吸附于铁掺杂石墨烯基底体系态密度和分波态密度图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0033]本实施例采用仿真软件对掺杂过渡金属元素后的石墨烯以及吸附气体后石墨烯体系的结构，能带和态密度等进性计算。
[0034]石墨烯原胞的晶格常数为0.2462nm，将其扩展为5
×5×
1的石墨烯超晶胞。每个原胞包含2个碳原子，超晶胞一共包含50个碳原子。在垂直于石墨烯层的方向上取厚度为2nm的真空层以避免石墨烯层间干扰。过渡金属元素的掺杂方式为：先去除一个碳原子，再用掺杂金属原子填补碳原子的空位。这种方式可以尽可能使得掺杂体系能量最小。
[0035]计算时采用广义梯度近似(GGA)下的PBE函数来修正电子之间的交换关联能，能量收敛精度设置为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯掺杂复合材料的气体吸附模拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1) 使用建模软件Materials Studio建立本征石墨烯原子模型；(2) 对本征石墨烯掺杂，建立掺杂石墨烯体系模型；(3) 建立气体分子模型；(4) 对掺杂后的石墨烯体系及气体分子进行几何优化；(5) 采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法结合Grimme的DFT
‑
D方法和DSPP方法对气体吸附于掺杂石墨烯前后的吸附参数、能带结构、态密度、差分电荷等进性仿真模拟计算。2.如权利要求1所述的石墨烯掺杂复合材料气体吸附模拟仿真方法，其特征在于，所述步骤 (1) 中的本征石墨烯模型采用3
×3×
1至9
×9×
1大小的石墨烯超晶胞。3.如权利要求2所述的石墨烯掺杂复合材料气体吸附模拟仿真方法，其特征在于，所述石墨烯超晶胞在垂直于石墨烯片方向上取厚度为1
‑
3nm的真空层。4.如权利要求1所述的石墨烯掺杂复合材料气体吸附模拟仿真方法，其特征在于，所述步骤 (2) 中对本征石墨烯掺杂的金属元素为铁，金，铜，镍，银，锌，铂，钨，钼，钛，铬，钴。5.如权利要求4所述的石墨烯掺杂复合材料气体吸附模拟仿真方法，其特征在于，所述掺杂方式为：先去除一个碳原子，再用掺杂金属原子填补碳原...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹏程，汤富，张豪，汪淑芬，张行斌，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：