通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法技术

本发明专利技术属于电工材料领域，具体公开了一种通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法，包括：根据二维材料和三维材料界面匹配情况，建立多组二维/三维复合材料结构；进行结构弛豫和优化，通过计算不同二维/三维复合材料结构连接方式的界面能，确定界面能最低的亚稳定结构；对亚稳定结构施加剪切应变，获取剪切应变

【技术实现步骤摘要】
通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法


[0001]本专利技术属于电工材料
，更具体地，涉及一种通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法。

技术介绍

[0002]近年来，先进电工材料的结构与性能调控备受重视，碳材料由于其优异的性能受到了广泛关注。性能各异的碳材料源于元素碳在键合方面的多功能性，其中石墨烯(graphene)和金刚石(diamond)是典型代表。石墨烯是一种sp2键合的二维材料，具有极好的柔韧性和导电能力。相比之下，diamond中的每个碳原子通过sp3键与相邻原子形成非极性共价键，使其成为超硬的宽带隙绝缘体，具有高导热性但韧性差。因此，人们期望结合石墨烯和金刚石优点，发展一种具有优异力学性能和导电性可调节的超材料。
[0003]外加应变是调节材料电子结构的有效方法，常被用于电磁性材料的性能调控。外加应变可使材料发生结构相变，进一步改变其性质。现有通过外加应变调控材料性能，主要集中在力学领域，单在调控导电性方面的研究暂时较少。近年来的研究发现，拉伸或者压缩应变，可使材料的力学和电学性能发生较大改变，甚至可实现从导体到半导体的调控。有研究发现，高压高温(HPHT)、压缩剪切应力场或化学功能化，会导致石墨转变为类金刚石结构。在转变过程中，石墨烯/金刚石复合结构逐渐引起了人们的关注，其导电性有望实现从金属到半导体，甚至绝缘体的转换，是新型电工材料的潜在对象，研究意义重大。但针对类似石墨烯/金刚石复合结构的二维/三维复合材料，是如何调控其导电性的暂未有研究。
专利技术内容
[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法，实现复合材料导电性从导体到半导体，甚至绝缘体的转换。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法，包括如下步骤：S1、根据二维材料和三维材料界面匹配情况，建立多组二维/三维复合材料结构；S2、对所述多组二维/三维复合材料结构进行结构弛豫和优化，通过计算不同二维/三维复合材料结构连接方式的界面能，确定界面能最低的亚稳定结构；S3、对所述亚稳定结构施加剪切应变，获取剪切应变
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应力曲线，并计算不同剪切应变条件下所述亚稳定结构的能带，获取剪切应变
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能带隙关系；S4、根据所述剪切应变
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能带隙关系，通过施加不同剪切应变调控二维/三维复合材料的导电性。
[0006]优选地，所述二维材料为石墨烯或六方氮化硼，所述三维材料为金刚石或立方氮化硼。
[0007]优选地，步骤S2中，结构优化是采用基于密度泛函理论的第一性原理计算实现的。
[0008]优选地，步骤S2中，所述亚稳定结构含有至少两种界面连接方式。
[0009]优选地，步骤S3中，对所述亚稳定结构施加剪切应变的具体操作为：对周期性模型施加增量变形，将每次增量加载后的模型在进行结构弛豫和优化后作为下一次增量加载的初始构型，其中加载方向不优化；利用应变矩阵将无应变的原子基向量矩阵转化为应变后的原子基向量矩阵，使晶体逐步变形。
[0010]优选地，通过改变晶体的轴角以模拟剪切应变。
[0011]优选地，步骤S3中，采用基于HSE06泛函的混合泛函计算能带。
[0012]优选地，本专利技术方法还包括：根据所述剪切应变
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应力曲线，提取不同剪切应变下的原子结构及连续剪切应变过程中界面处化学键的断裂与重组的演化过程，得到剪切应变对结构相变的影响规律。
[0013]优选地，采用VESTA与OVITO软件提取原子结构及化学键的断裂与重组的演化过程。
[0014]优选地，步骤S4中，通过施加如下连续剪切应变γ调控石墨烯/金刚石复合材料的导电性：（1）γ＝0，石墨烯/金刚石复合结构的能带隙为负值，显示导体特性；（2）0＜γ≤0.24或0.28＜γ≤0.50，石墨烯/金刚石复合结构由石墨烯和金刚石两部分组成，其能带隙小于或等于1 eV，显示导体特性；（3）0.24＜γ≤0.28，石墨烯/金刚石复合结构相变为由立方金刚石和六方金刚石两部分组成，其能带隙大于1 eV且小于或等于4 eV，显示半导体特性；（4）γ＞0.50，石墨烯/金刚石复合结构完全相变为六方金刚石，其能带隙大于4 eV，显示绝缘体特性。
[0015]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：（1）本专利技术通过构建不同界面连接的二维/三维复合结构及剪切应变模拟，探究了外加剪切应变对二维/三维复合材料导电性的调控规律，可实现二维/三维复合材料导电性的大范围调控。
[0016]（2）本专利技术提供的石墨烯/金刚石复合材料可克服金刚石固有的脆性和宽禁带，发挥石墨烯的导电性和柔韧性，通过预测剪切应变下这种复合结构材料的导电规律，为先进电工材料的设计制备提供理论与技术支持，可助力高性能超材料的电学特性调控。
[0017]（3）本专利技术利用快速且节约成本的理论技术模拟方法，揭示了剪切应变
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电导率关联及界面演化机理，可为电导性可调节材料的研发提供理论支持。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例提供的通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法流程图。
[0019]图2为本专利技术实施例中常见4类石墨烯Armchair晶向
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金刚石界面连接示意图，图中，(a)为类型一：石墨烯Armchair晶向与立方金刚石(C
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Diamond)晶向的C
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Dia1原子层连接；(b)为类型二：石墨烯Armchair晶向与立方金刚石晶向的C
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Dia2原子层连接；(c)为类型三：石墨烯Armchair晶向与六方金刚石(H
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Diamond)晶向的H
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Dia1原
子层连接；(d)为类型四：石墨烯Armchair晶向与六方金刚石晶向的H
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Dia1原子层连接。
[0020]图3为本专利技术实施例中石墨烯Armchair和Zigzag晶向与六方金刚石H
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Dia1端口沿晶向的6种界面连接方式示意图，图中，(a)为石墨烯Armchair晶向与六方金刚石晶向的H
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Dia1原子层连接的原子结构正视图；(b)为石墨烯Armchair晶向与六方金刚石晶向的H
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Dia1原子层连接的原子结构俯视图。
[0021]图4为本专利技术实施例中石墨烯/金刚石复合结构的剪切应变
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应力曲线及关键应变处原子结构，图中，(a)为应力(GPa)、体系总能量(eV)与纯剪切应变关系图；(b)为纯剪切应变γ0=0时的原子结构快照；(c)为纯剪切应变γ1=0.29时的原子结构快照；(d)为纯剪切应变γ2=0.51时的原子结构快照；(e)为纯剪切应变γ3=0.60时的原子结构快照。
[0022]图5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过外加剪切应变调控二维/三维复合材料导电性的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据二维材料和三维材料界面匹配情况，建立多组二维/三维复合材料结构；S2、对所述多组二维/三维复合材料结构进行结构弛豫和优化，通过计算不同二维/三维复合材料结构连接方式的界面能，确定界面能最低的亚稳定结构；S3、对所述亚稳定结构施加剪切应变，获取剪切应变
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应力曲线，并计算不同剪切应变条件下所述亚稳定结构的能带，获取剪切应变
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能带隙关系；S4、根据所述剪切应变
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能带隙关系，通过施加不同剪切应变调控二维/三维复合材料的导电性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述二维材料为石墨烯或六方氮化硼，所述三维材料为金刚石或立方氮化硼。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，结构优化是采用基于密度泛函理论的第一性原理计算实现的。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，所述亚稳定结构含有至少两种界面连接方式。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，对所述亚稳定结构施加剪切应变的具体操作为：对周期性模型施加增量变形，将每次增量加载后的模型在进行结构弛豫和优化后作为下一次增量加载的初始构型，其中加载方向不优化；利用应变矩阵将无应变的原子基向量矩阵转化为应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，苏阳，胡宁，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：