測試碳納米管溫度特性的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及碳納米管，尤其涉及一種測試碳納米管溫度特性的方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管是一種新型的納米級材料，由于其具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，如:超強的機械性能，良好的導電性能，良好的電磁性能，良好的光學性能以及良好的吸附、催化性能，它已經(jīng)被廣泛地應用于化學，生物，農(nóng)業(yè)以及航空等領域。用羥基修飾的改性碳納米管具有良好的溫度特性，這種特性可以應用于多種場合，如溫度傳感器等。但是對于納米級的碳納米管來說，實驗測試其溫度特性依然十分困難。實驗中一般測試碳納米管的溫度特性都是在設定的溫度下進行，通過電壓電流曲線得到碳納米管的溫度導電特性。實驗設備在測試過程等都會有一定的誤差，影響其準確性。另一方面，通過理論計算也能測試碳納米管的溫度特性，但是對計算方法、力場以及計算步驟等條件的選擇對測試結果的準確性也至關重要。所以，探索一種能快速、準確測試碳納米管溫度特性的方法變得尤為重要且具有現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術的不足，解決碳納米管溫度特性測試困難的問題，本發(fā)明提供一種測試碳納米管溫度特性的方法。該方法結合了量子力學以及分子動力學，利用密度泛函等理論，從分子層面進而到原子層面去測試碳納米管在不同溫度條件下的導電性，從而得到它的溫度特性。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案包括如下步驟:
1)確定碳納米管的結構參數(shù)；
2)利用MaterialsStud1軟件對碳納米管進行建模；
3)利用MaterialsStud1軟件中的Forcite模塊對碳納米管進行幾何優(yōu)化；
4)利用MaterialsStud1軟件中的Forcite模塊對碳納米管進行分子動力學計算，計算不同溫度下碳納米管的變化；
5)利用MaterialsStud1軟件中的CASTEP模塊對碳納米管進行量子力學計算，計算它的能帶結構；
6)記錄不同溫度下碳納米管的帶隙，然后繪制溫度一帶隙圖；
7)根據(jù)所繪制的溫度一帶隙圖，分析碳納米管溫度與帶隙的函數(shù)關系，從而完成碳納米管溫度特性的測試。
[0005]所述步驟I)的參數(shù)包括碳納米管的手性以及直徑、長度。
[0006]本發(fā)明在步驟3)進行幾何優(yōu)化時，Algorithm選擇Smart，Optimize cell不勾選，力場選擇 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都選取 Ewald0
[0007]在步驟4)中，系統(tǒng)選取NPT。
[0008]在步驟5)中，任務選取Energy，交換關聯(lián)能選取GGA/PBE，勾選Metal，截斷能設置為340 eV，A點設置為IX 1X5，性質(zhì)勾選能帶和態(tài)密度。
[0009]本發(fā)明選取溫度區(qū)間273K?373K作為溫度變量。
[0010]進一步，為了保證結果的準確性，本發(fā)明還包括在步驟3)之前驗證體系是否達到平衡。
[0011]驗證參數(shù)包括體系溫度、體系密度和體系MSD JfMSD取對數(shù)值，當其對數(shù)值與時間成線性關系，判為體系已達到平衡。其中MSD即體系均方位移。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:從量子力學的角度，結合分子動力學的方法，先通過分子力學來模擬分子在不同環(huán)境下結構的真實情況，省時省力；然后再使用量子力學計算其溫度導電性質(zhì)，結果精確；從而快速準確地測試碳納米管的溫度特性，方法簡單有效。
【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明方法的流程圖；
圖2本發(fā)明中帶有2個官能團的改性碳納米管模型示意圖；
圖3本發(fā)明中帶有10個官能團的改性碳納米管模型示意圖；
圖4本發(fā)明中帶有2個官能團的改性碳納米管幾何優(yōu)化結構示意圖；
圖5本發(fā)明中帶有10個官能團的改性碳納米管幾何優(yōu)化結構示意圖；
圖6本發(fā)明中體系溫度示意圖；
圖7本發(fā)明中體系密度示意圖；
圖8本發(fā)明中體系MSD示意圖；
圖9本發(fā)明中帶有2個官能團的改性碳納米管的能帶結構示意圖；
圖10本發(fā)明中帶有10個官能團的改性碳納米管的能帶結構示意圖；
圖11本發(fā)明中帶有2個官能團的改性碳納米管帶隙與溫度之間的關系示意圖；
圖12本發(fā)明中帶有10個官能團的改性碳納米管帶隙與溫度之間的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面將結合附圖和實施例進一步對本發(fā)明作詳細闡述。
[0015]本發(fā)明測試碳納米管溫度特性的方法流程如圖1所示，具體實施過程如下:
I)本實施過程選取手性為(9，9 )的單壁碳納米管為例，為了能更好地驗證以羥基官能團修飾的(9，9)改性碳納米管的溫度特性，本發(fā)明方案中選取了 2個官能團和10個官能團修飾的改性碳納米管進行測試。圖2和圖3分別為帶有2個官能團和10個官能團(9，9)改性碳納米管，利用Materials Stud1軟件建立的模型的示意圖。
[0016]2)為了保證結果的準確性，本發(fā)明先驗證了體系是否達到平衡。如圖6、圖7、圖8分別為體系溫度、體系密度和體系MSD,對MSD取對數(shù)值，可以看到其對數(shù)值基本成線性關系，可知體系已達到平衡。
[0017]3)利用Materials Stud1的Forcite模塊，先進行構型幾何優(yōu)化，Algorithm選擇 Smart，Optimize cell 不勾選，力場選擇 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都選取Ewald。圖4、圖5分別為幾何優(yōu)化后的2個官能團與10個官能團的改性碳納米管。
[0018]4)之后利用Materials Stud1的Forcite模塊進行分子動力學的運算，系統(tǒng)選取NPT，分別計算不同溫度下改性碳納米管的變化。
[0019]5)利用Materials Stud1的CASTEP模塊對優(yōu)化過后的改性碳納米管進行能帶結構計算。任務選取Energy，交換關聯(lián)能選取GGA/PBE，勾選Metal。截斷能設置為340 eV，左點設置為1X1X5，性質(zhì)勾選能帶和態(tài)密度。圖9、圖10分別為帶有2個官能團和帶有10個官能團的改性碳納米管的能帶結構圖。
[0020]6)記錄不同溫度下碳納米管的帶隙，分析改性碳納米管的能帶結構圖，繪制其溫度一帶隙圖。如圖11、圖12分別為帶2個官能團和10個官能團的溫度一帶隙圖，橫軸表示溫度(K)，縱軸表示帶隙(eV)。帶隙在一定程度上可以表現(xiàn)出材料的導電性，帶隙越大，導電性越差；反之亦然，帶隙為O時材料為導體。
[0021]本發(fā)明方案中選取了帶有2個和10個官能團的改性碳納米管作為對比，是為了驗證改性碳納米管的溫度特性，增加其可信度。另外一般而言，大多數(shù)器件的工作溫度都為273K-373K，所以本發(fā)明方案選此溫度區(qū)間作為溫度變量。
[0022]7)分析:從圖11和圖12可知，帶有2個和10個官能團的改性碳納米管帶隙都隨著溫度的增加而增加，導電性變差，呈現(xiàn)的是負溫度導電特性。
【主權項】
1.測試碳納米管溫度特性的方法，包括下述步驟: 確定碳納米管的結構參數(shù)； 利用Materials Stud1軟件對碳納米管進行建模； 利用Materials Stud1軟件中的Forcite模塊對碳納米管進行幾何優(yōu)化； 利用Materials Stud1軟件中的Forcite模塊對碳納米管進行分子動力學計算，計算不同溫度下碳納米管的變化； 利用Materials Stud1軟件中的CASTEP模塊對碳納米管進行量子力學計算，計算它的能帶結構； 記錄不同溫度下碳納米管的帶隙，然后繪制溫度一帶隙圖； 根據(jù)所繪制的溫度一帶隙圖，分析碳納米管溫度與帶隙的函數(shù)關系，從而完成碳納米管溫度特性的測試。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)的參數(shù)包括碳納米管的手性以及直徑、長度。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟3)進行幾何優(yōu)化時，Algorithm選擇 Smart，Optimize cell 不勾選，力場選擇 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都選取Ewald。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟4)中，系統(tǒng)選取NPT。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟5)中，任務選取Energy，交換關聯(lián)能選取GGA/PBE，勾選Metal，截斷能設置為340 eV，々點設置為I X I X 5，性質(zhì)勾選能帶和態(tài)密度。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:選取溫度區(qū)間273K?373K作為溫度變量。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:還包括在步驟3)之前驗證體系是否達到平衡。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于:驗證參數(shù)包括體系溫度、體系密度和體系MSD JiMSD取對數(shù)值，當其對數(shù)值與時間成線性關系，判為體系已達到平衡。
【專利摘要】本發(fā)明涉及測試碳納米管溫度特性的方法，該方法結合了量子力學以及分子動力學，利用密度泛函等理論，從分子層面進而到原子層面去測試碳納米管在不同溫度條件下的導電性，從而得到它的溫度特性。本發(fā)明從量子力學的角度，結合分子動力學的方法，先通過分子力學來模擬分子在不同環(huán)境下結構的真實情況，省時省力，然后再使用量子力學計算其溫度導電性質(zhì)，從而可以快速準確地得到測試結果，方法簡單有效。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號】CN104535859
【申請?zhí)枴緾N201410799533
【發(fā)明人】楊寧, 陳顯平, 楊道國
【申請人】桂林電子科技大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月19日