[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

本發明公開了一種扭轉型碳納米管的實現方法及其在傳感器上的應用，本發明根據高階Cauchy?Born準則建立碳納米管幾何結構，并通過本方法得到扭轉型碳納米管模型，運用第一性原理及相關內容對扭轉后的碳納米管進行分析，得到扭轉型碳納米管的光電性能(包括能帶曲線和電子態密度曲線)，并從該過程構建得到扭轉型碳納米管的傳感器。本發明方法得到的扭轉型碳納米管傳感器，具有體積小、重量輕、光電敏感度高等特點，可以用于工業生產、污水處理、醫學診斷以及生物工程等領域。

技術領域

本發明涉及一種扭轉型碳納米管的實現方法及其在傳感器上的應用，屬于納米材料技術領域。

背景技術

傳感器作為實現自動檢測和自動控制系統的首要環節，已經廣泛滲透到工業生產、醫學診斷、生物工程等領域。現代傳感器的研發主要取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的研發，而半導體及介質材料的應用是其發展的主要趨勢。傳感器的敏感程度的提高以及傳感器件日趨小型化已成為重要的發展方向。

碳納米管(CNT)自發現以來，便以其獨特的物理化學性質被廣泛應用于各種場景、創造新型復合材料和新功能器件，其是傳感器中最有前景的發展方向之一。將碳納米管作為傳感器的敏感元件不僅可以大大提高器件的靈敏度、分辨率、響應速度等重要參數，還可以拓展感應傳感器的檢測領域。

碳納米管已被運用于多種領域，但是制備長直碳納米管仍然不容易，在碳納米管的制備過程中會出現大量的斷裂現象，這些斷裂一般是由扭轉引起的。在較小扭轉程度下，碳納米管會發生形變且沒有斷裂；如果能夠在較小的扭轉角時就發現碳納米管的變化，這會對碳納米管的應用產生巨大的影響。扭轉型碳納米管傳感器能夠將扭轉角與光電性能相結合，這可以提高傳感性能。

扭轉型碳納米管電子器件尺寸為納米量級，電子波函數在垂直于軸線的截面受到強烈的限制，具明顯的量子尺寸效應，碳納米管的光電性能明顯依賴于其幾何結構，這可極大的提高碳納米管傳感器的靈敏度。碳納米管的電子輸運表現了與幾何結構密切相關的量子干涉輸運特征。微小結構變化將會導致巨大的光電性質差異，因而扭轉角與光電性質之間的關系對微納傳感器尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于揭示扭轉型碳納米管的光電性能與扭轉角之間的關系，提出了一種扭轉型碳納米管的實現方法，并得到扭轉型碳納米管在傳感器上的應用，該方法得到的扭轉型碳納米管傳感器，具有體積小、重量輕、光電敏感度高等特點，可以用于工業生產、污水處理、醫學診斷以及生物工程等領域。

本發明利用基于高階Cauchy-Born準則所建立的碳納米管結構模型，針對碳納米管的扭轉光電特性進行了研究。根據分子動力學原理將碳納米管進行扭轉，得到扭轉后的結構模型，運用第一性原理以及密度泛函理論計算出其吸收光譜與局域電子態密度，進而能得到扭轉后結構的光電性能，再針對不同的性能將其制備為傳感器得到更為廣泛的應用。

本發明解決其技術問題所采取的技術方案是：

一種扭轉型碳納米管的實現方法，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；

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