單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法。使用本發(fā)明專利技術(shù)能夠計算出完美石墨烯晶胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)本征缺陷之后的結(jié)構(gòu)與電子特性的改變，進(jìn)而得到其電導(dǎo)率的變化情況。本發(fā)明專利技術(shù)首先建立單層石墨烯各類型本征缺陷的晶胞構(gòu)型模型；然后利用第一性原理得到缺陷結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定的晶胞常數(shù)；通過對比完備完美晶胞和完備缺陷晶胞的晶胞結(jié)構(gòu)、靜態(tài)情形以及能態(tài)密度，理論分析并推導(dǎo)出石墨烯出現(xiàn)本征缺陷之后的電導(dǎo)率變化情況。本發(fā)明專利技術(shù)基于嚴(yán)謹(jǐn)理論分析手段拓展了實驗測量，適用于石墨烯缺陷對其電導(dǎo)率的極為敏感的影響分析。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法
本專利技術(shù)涉及石墨烯電導(dǎo)率計算
，具體涉及一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法。
技術(shù)介紹
據(jù)2005年Nature雜志的一篇報道，石墨烯是一種具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的零帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶和價帶交于一點，即在這一點附近的載流子能量與波矢的色散關(guān)系是線性的。其導(dǎo)出的奇妙結(jié)果就是在這一點附近載流子的質(zhì)量為零，可傳播微米級的距離而不受散射。石墨烯中載流子可以是電子也可以是空穴，理想狀態(tài)下其本征載流子遷移率可達(dá)105cm2V-1s-1級別。且遷移率幾乎與溫度無關(guān)，載流子的有效速度達(dá)到了106m/s。石墨烯因其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，在航天科技中應(yīng)用廣泛，不勝枚舉。但凡事都有兩面性，空間環(huán)境因其特殊性，如大溫差、各種電離輻射和電磁輻射、中性輻射、微流星、軌道碎片、高/超高真空等，會對在空間工作的器件和材料產(chǎn)生各種影響。石墨烯也不例外，其良好的導(dǎo)電性在空間環(huán)境中由于各種空間環(huán)境效應(yīng)的影響也會發(fā)生改變。其中最主要的影響就是電離輻射，空間的γ射線輻射，紫外輻射，各種高能粒子輻射等會對石墨烯導(dǎo)電性產(chǎn)生各種性質(zhì)的影響。例如紫外輻射，近日空間環(huán)境中，紫外輻照是較為重要的因素之一。波長短于300納米的所有紫外輻照，雖然只占有太陽總輻照能量的1％左右，但作用很大。紫外線的光量子能破壞石墨烯的碳碳鍵，引起化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，造成能態(tài)密度、電荷密度改變，進(jìn)而影響其導(dǎo)電性。空間輻照環(huán)境主要來自地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線等，主要成分是電子、質(zhì)子、少量重離子和γ射線，它們構(gòu)成了航天器軌道上的輻射環(huán)境。高能粒子會轟擊石墨烯的晶胞結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生位移缺陷、空位缺陷和吸附缺陷等，從而改變其電子能態(tài)分布等特性，影響其導(dǎo)電性。同樣γ射線也會破壞石墨烯的鍵，從而影響其導(dǎo)電性。目前通常采用實驗檢測的方法獲得石墨烯的電導(dǎo)率，然而，本征缺陷的數(shù)量本來就及其微小，隨著石墨烯生長工藝的不斷改進(jìn)，其本征缺陷會越來越少，超出了實驗測量極限；因此，需要采用新的方法研究單層石墨烯出現(xiàn)本征缺陷后引起的電導(dǎo)率變化。
技術(shù)實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法，利用第一性原理計算理論，計算出完美石墨烯晶胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷之后的結(jié)構(gòu)與電子特性的改變，進(jìn)而得到電導(dǎo)率變化情況。本專利技術(shù)的單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法，包括如下步驟：步驟1，構(gòu)建不同類型本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)模型，利用第一性原理，計算各類型本征缺陷晶胞的體系總能，最小體系總能所對應(yīng)的本征缺陷晶胞即為最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)；步驟2，建立步驟1確定的最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β1；同時建立單層石墨烯完美晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β0作為對照；步驟3，利用第一性原理，分別計算完備晶胞β1和完備晶胞β0的電荷密度分布信息以及電子能態(tài)密度分布信息；步驟4，將兩個完備晶胞β1、β0的電子能態(tài)密度分別做積分處理，根據(jù)兩個完備晶胞的電子能態(tài)密度積分的變化值計算單層石墨烯在發(fā)生本征缺陷后的電導(dǎo)率變化量。進(jìn)一步的，所述步驟4中，兩個完備晶胞的電子能態(tài)密度分別在費米面正負(fù)3個KT范圍內(nèi)做積分，得到晶胞β0和晶胞β1的積分能態(tài)密度，其中，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為開氏溫度。進(jìn)一步的，所述步驟1中，針對各類型本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)模型，首先固定非缺陷原子，對晶胞剩余其他原子進(jìn)行位置弛豫，得到最穩(wěn)定構(gòu)型；然后固定最穩(wěn)定構(gòu)型所有原子，對整個晶胞結(jié)構(gòu)再進(jìn)行一次弛豫，得到對應(yīng)本征缺陷晶胞的體系總能。進(jìn)一步的，所述步驟4中，在計算完備晶胞β1和β0的電子能態(tài)密度分布信息時，將石墨烯的褶皺結(jié)構(gòu)作為非線性因素引入第一性原理計算中。有益效果：本專利技術(shù)從真實物理過程和基本物理原理出發(fā)，詳細(xì)分析了石墨烯本征缺陷對其電導(dǎo)率的影響規(guī)律。相對于實驗測量，本專利技術(shù)不存在實驗測量誤差的影響。同時，通過改變不同的計算輸入，可以分析不同石墨烯本征缺陷類型、數(shù)目對其電導(dǎo)率的影響，相對于實驗測量效率更高。最重要的是，理論計算分析可以突破實驗測量精度的限制。故通過本專利技術(shù)，對于石墨烯電導(dǎo)率的分析更準(zhǔn)、更精且更有效。本專利技術(shù)可為石墨烯及石墨烯基的功能材料、器件及航空航天載荷在輻射環(huán)境下電學(xué)性質(zhì)的改變研究提供可靠的技術(shù)支撐。附圖說明圖1為點缺陷的TEM圖像和計算得到的原子排布結(jié)構(gòu)圖。圖2為單空穴缺陷的TEM圖像和計算得到的原子排布結(jié)構(gòu)圖。圖3為三種已經(jīng)觀察到的多重空穴缺陷的TEM照片和其原子排布結(jié)構(gòu)圖。圖4為三種典型的面外碳原子引入缺陷。圖5為本專利技術(shù)實施例中所采用的計算軟件VASP及計算所用超級計算機(jī)組示意。圖6為本專利技術(shù)實施例中構(gòu)建VASP計算輸入結(jié)構(gòu)文件的商業(yè)模擬應(yīng)用軟件MateriasStudio界面示意。圖7為本專利技術(shù)實施例中構(gòu)建的石墨烯完美晶胞結(jié)構(gòu)與各類本征缺陷結(jié)構(gòu)。圖8為本專利技術(shù)實施例中構(gòu)建的石墨烯完美晶胞結(jié)構(gòu)β0與各類本征缺陷結(jié)構(gòu)α1～α4晶胞常數(shù)優(yōu)化后的相對體系總能。圖9為本專利技術(shù)實施例中計算得到的β1和β0能態(tài)密度分布與積分能態(tài)密度對比圖。圖10為本專利技術(shù)方法步驟流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。本專利技術(shù)提供了一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法，根據(jù)第一性原理理論，結(jié)合商用計算程序VASP對石墨烯本征缺陷建立結(jié)構(gòu)模型，計算分析其結(jié)構(gòu)與電子特性的變化。第一性原理在石墨烯研究的初期、高峰、直至將來都是強(qiáng)有力的不可或缺的重要手段之一。這是因為石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)和電子特性就是因其納米尺度的結(jié)構(gòu)特點帶來的，而第一性原理就是從晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，不含一切擬合參數(shù)因子來推導(dǎo)出物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。要分析輻射損傷、缺陷對石墨烯導(dǎo)電性的影響，就要從物質(zhì)導(dǎo)電性的基本概念出發(fā)，從固體物理角度來分析晶體導(dǎo)電性的由來。如前所述，石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性主要由其能帶中狄拉克點附近的電子的彈道輸運形成，在狄拉克點，導(dǎo)帶低和價帶頂重合，能帶具有金屬性特征，可以用固體物理中的金屬電子論理論來分析其電導(dǎo)率的特點。本專利技術(shù)可直接應(yīng)用到石墨烯相關(guān)空間材料及器件的設(shè)計、研制、失效分析等方面。本專利技術(shù)獲取單層石墨烯在發(fā)生本征缺陷時電導(dǎo)率變化的步驟如下：步驟1，首先確定利用第一性原理計算軟件VASP的計算輸入設(shè)置。本專利技術(shù)是利用第一性原理計算單層石墨烯本征缺陷下的結(jié)構(gòu)與電子特性的變化，從而得到單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率變化；本實施例是直接利用軟件VASP進(jìn)行第一性原理的計算，該軟件的計算精度高、輸入輸出可視化、操作方便；但本專利技術(shù)并不限于該軟件，只要是能夠基于第一性原理，構(gòu)建晶胞，并實現(xiàn)對晶胞的結(jié)構(gòu)以及電子特性的計算即可。在VASP中：對于離子、原子等基本粒子之間的相互作用通過贗勢來進(jìn)行描述，即通過平面波擴(kuò)增投影算法來進(jìn)行描述粒子之間的相互作用；帶電粒子之間的交換相互作用是通過廣義梯度近似來進(jìn)行描述。在進(jìn)行不同的計算步驟時，設(shè)置的Monkhorst-Pack網(wǎng)格大小逐漸改變。在平面波矢量計算時，本專利技術(shù)采取的截斷能初始范圍為200至700毫電子伏特，通過優(yōu)化得到最佳截斷能取值為360毫電子伏特。采用這樣的截斷能可以在近似下達(dá)到計算精度的需求。步驟2，建立石墨烯本征缺陷的晶胞結(jié)構(gòu)模型并確定缺陷晶胞結(jié)構(gòu)的晶胞常數(shù)。室溫下，完美單層石墨烯的晶胞常數(shù)是已知量，但為了保持模擬計算的統(tǒng)一性，需通過計算確定出完美單層石墨烯在常溫下的晶胞常數(shù)：在上述的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，構(gòu)建不同類型本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)模型，利用第一性原理，計算各類型本征缺陷晶胞的體系總能，最小體系總能所對應(yīng)的本征缺陷晶胞即為最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)；步驟2，建立步驟1確定的最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β1；同時建立單層石墨烯完美晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β0作為對照；步驟3，利用第一性原理，分別計算完備晶胞β1和完備晶胞β0的電荷密度分布信息以及電子能態(tài)密度分布信息；步驟4，將兩個完備晶胞β1、β0的電子能態(tài)密度分別做積分處理，根據(jù)兩個完備晶胞的電子能態(tài)密度積分的變化值計算單層石墨烯在發(fā)生本征缺陷后的電導(dǎo)率變化量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率計算方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，構(gòu)建不同類型本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)模型，利用第一性原理，計算各類型本征缺陷晶胞的體系總能，最小體系總能所對應(yīng)的本征缺陷晶胞即為最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)；步驟2，建立步驟1確定的最穩(wěn)定的本征缺陷晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β1；同時建立單層石墨烯完美晶胞結(jié)構(gòu)的完備晶胞β0作為對照；步驟3，利用第一性原理，分別計算完備晶胞β1和完備晶胞β0的電荷密度分布信息以及電子能態(tài)密度分布信息；步驟4，將兩個完備晶胞β1、β0的電子能態(tài)密度分別做積分處理，根據(jù)兩個完備晶胞的電子能態(tài)密度積分的變化值計算單層石墨烯在發(fā)生本征缺陷后的電導(dǎo)率變化量。2.如權(quán)利要求1所述的單層石墨烯本征缺陷下的電導(dǎo)率...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊生勝，薛玉雄，黃文超，王小軍，黃一凡，張晨光，苗育君，王光毅，
申請(專利權(quán))人：蘭州空間技術(shù)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：甘肅,62