[發明專利]一種扭轉型碳納米管的實現方法及其在傳感器上的應用

有效

• 申請號: 201710417412.9
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107421567B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 涂真珍;呂蘭蘭;王韋剛
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;B82Y15/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 施婷婷

1.一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：構建出碳納米管的幾何結構：所述碳納米管由一石墨層卷曲而成，根據參數(m,n)來確定唯一的碳納米管幾何結構，根據不同的m,n值可建立不同的碳納米管模型；所述碳納米管是由一石墨層沿卷曲而成，其中，為石墨基矢，m，n為常數；

步驟2：在坐標系下建立足夠長的碳納米管模型，選取其中一層碳原子作為起始層，并對其施加初始扭轉角，得到該層碳原子旋轉后的坐標；

步驟3：利用分子動力學原理計算出其它碳原子弛豫后的坐標，得到扭轉型碳納米管的結構模型；

步驟4：通過能帶折疊法，由石墨能量色散關系可得出碳納米管的能量色散關系；由于費米面附近石墨的電子性質主要由π電子決定，利用近似方法可得到緊束縛近似下π電子的能量色散關系

步驟5：采用Recursion方法計算電子態密度：通過選定一種初始態|U₀>，以局域原子軌道為基的哈密頓量做表象變換，重復該過程，得到電子態密度DOS(E)；

步驟6：得出所述碳納米管的能量色散關系與電子態密度的特征曲線，并根據價帶與導帶的交疊情況得出其電學性能；

步驟7：增加扭轉角，重復步驟3～6，得出全部扭轉型碳納米管的能量色散關系曲線圖與電子態密度曲線圖。

2.根據權利要求1所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述步驟1中：螺旋角θ是與間的夾角，半徑令p＝-(2n+m)/l，q＝(2m+n)/l，l為(2n+m)與(2m+n)的最大公約數，碳納米管的軸向周期長度為最小軸向平移周期單元內包含的六邊形的個數N＝2(m²+mn+n²)/l；

以管軸向為Z軸方向，管中心為原點建立三維坐標系，碳納米管向兩端無限延伸。

3.根據權利要求1所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述步驟2中：給予起始層碳原子初始扭轉角，由于碳碳鍵的作用，使得下層電子將會受到力的作用進而產生運動，根據分子動力學原理，給予其足夠長的弛豫時間，讓其再次恢復到平衡狀態。

4.根據權利要求2所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述步驟4中：緊束縛近似下，計及每個碳原子的4個軌道，采用哈密頓量H；根據Slater-Koster關系式并利用近鄰原子間相互作用可以得到躍遷系數

運用能帶折疊法，由緊束縛近似下π電子的能量色散關系推導出碳納米管(m,n)的能量色散關系，t＝-2.7eV是最近鄰交疊積分；是能量沿著K矢量方向的計算公式，k可分解為x,y方向的分量，即為k_x和k_y；

所述碳納米管(m,n)的能量色散關系為沿的一維形式，其中為對應管軸方向：其中j＝1,2,…,N；k_axial是沿管軸方向的矢量。

5.根據權利要求4所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述步驟5中：首先選定一種初始態|U₀>，以局域原子軌道為基的哈密頓量做表象變換，得到參數序列{a_n}，{b_n}和正交基{U_n}，在基{U_n}下，將哈密頓量變為三對角形式G₀₀(E)：其中，E為所述E_SWNT(k_axial)，進而得到所述電子態密度其中，η為無窮小正實數。

6.根據權利要求1所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法，其特征在于，所述步驟6和步驟7中：在能量色散關系曲線圖中，帶隙寬度大于9ev為絕緣體，帶隙寬度在1～3ev為半導體，帶隙寬度小于1ev為導體，由此可以判斷出碳納米管的電學性能；得到能量色散關系曲線圖與電子態密度曲線圖，對全部扭轉型碳納米管的能帶色散曲線圖與電子態密度曲線圖進行分析。

7.權利要求1所述的一種扭轉型碳納米管的實現方法得到的扭轉型碳納米管在傳感器上的應用，其特征在于，根據扭轉型碳納米管的扭轉角與光電性能之間的關系，構建制備得到微納傳感器；所述扭轉型碳納米管的扭轉角與光電性能之間的關系表現為所述能量色散關系曲線圖與電子態密度曲線圖。