[發明專利]一種基于第一性原理計算設計精確硼摻雜石墨烯的方法

在審

• 申請號: 202210561753.4
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114974439A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 陳海元;魏川茗;牛曉濱
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C60/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種基于第一性原理計算設計精確硼摻雜石墨烯的方法。本發明采用自下而上的構建思路，利用特定的前驅體構建了一種新型二維硼摻雜石墨烯的理論模型。接著利用第一性原理計算分析了其在動力學上的穩定性，以及其電子結構性質。結果顯示，聲子譜未出現虛頻，證明了結構的動力學穩定性。相比于傳統異質原子摻雜石墨烯，本發明所述的新型硼摻石墨烯設計方法滿足硼元素摻雜濃度與位點高度可控，且具有實驗合成前景，能適用于不同納米材料結構的設計，同時新型二維結構的半金屬特性，預示了其在電極材料等領域的應用潛力，為石墨烯功能化提供了新的路徑。

技術領域

本發明屬于碳納米材料技術領域，具體涉及一種基于第一性原理計算設計精確硼摻雜石墨烯的方法。

背景技術

二維材料是厚度僅為納米級尺寸的層狀材料，具有周期性晶格，其電子只能在平面內的兩個維度上自由運動。二維材料的首次制備Novoselov等人通過機械剝離法，成功以石墨為原材料制備出石墨烯(Graphene)。石墨烯的厚度僅為一個碳原子，由蜂窩狀的六元環碳組成，碳原子之間以sp²的形式雜化形成C-C強共價鍵，其鍵角為120°，鍵長為相比其制作原料三維的石墨，二維的石墨烯有著更為出色的導電性、導熱性、機械穩定性以及光輻射吸收能力。石墨烯展現出的獨特性能以及優于其三維結構的特性激發了全世界學者對二維材料的研究熱潮。隨著研究的不斷開展與深入，迄今為止，已有超過800種二維材料在實驗上成功制備或在理論上被研究發現。這些二維材料均有著獨特的結構特征與優異的物理化學性質，能廣泛運用在半導體電子器件、生物傳感器、能量儲存與轉換、光電催化劑等諸多領域，受到了研究者們的青睞。

目前，二維材料在傳統的合成與設計方面遇到了一些難題：第一，難以制備厚度小、尺寸大的高質量二維材料；第二，缺乏合理的手段合成取向可控、化學組分分布均勻的二維材料；最后，為達成特定的功能，需要對二維材料進行改性。因此，研究者們需要尋找合理的結構設計方法調制體系的組分、形狀和尺寸，以制備各種功能性材料或發掘潛在的新型二維材料。因此，摻雜調控脫穎而出。雜原子的摻雜會影響二維材料的性能，近年來，眾多研究表明，二維碳基材料中的B或N的取代使它們分別成為p型或n型半導體，除了改變電子結構外，摻雜還影響碳基材料的拉曼光譜和各種其他特性。據統計，最遲到2023年，雜原子摻雜二維碳基材料的市場規模預計將增加到13億美元。巨大的市場規模也推動了硼摻雜二維碳基材料的研究。

硼作為缺電子元素，與相鄰的碳元素有著不同的電子性質。因此，兩者結合而成的二維硼碳基材料有作為新型功能材料的潛力。近年來，經過研究者們不懈努力，從理論和實驗上發現了大量不同化學配比的硼摻雜石墨烯材料。許多研究表明二維硼摻雜石墨烯在電極材料、電催化劑、電子器件等領域有廣泛的應用。

近年來通過工程化手段設計新型二維材料或功能化二維材料成為了研究熱點。例如2016年，Nature Communications期刊中的文獻《Atomically controlledsubstitutional boron-doping of graphene nanoribbons》報道了一種硼摻雜石墨烯納米帶。而用理論計算的方式預測材料結構組分與功能化性質能為后續實驗提供理論支撐與潛在的制備手段，極大的節約了實驗時間和成本。如今，通過理論上的結構設計構建特定的二維功能材料已成為了二維材料研究過程中的重要一環。

發明內容

本發明提供一種基于第一性原理計算設計精確硼摻雜石墨烯的方法，通過自下而上的構建思路，利用特定的前驅體構建了新型二維硼摻雜石墨烯的理論模型，化學計量比分別為BC₆。接著利用第一性原理計算分析了其在動力學上的穩定性，以及它的電子結構性質。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案具體如下：

步驟S1：利用VESTA軟件構建含硼的前驅體分子結構；

步驟S2：利用步驟S1得到的分子作為前驅體，構建新型硼摻雜石墨烯(BC₆)的幾何結構；