一种裁剪诱导石墨烯自发卷曲形成碳纳米锥的设计方法

摘要

本发明提供了一种裁剪诱导石墨烯自发卷曲形成碳纳米锥的设计方法，步骤为1）在MaterialsStudios软件中构建不同半径的圆形石墨烯片；2）将上述圆形石墨烯片自圆心沿任一半径方向裁剪出一条缝隙；3）对裁剪后的石墨烯运用MaterialsStudios软件中Discover模块进行分子力学优化和动力学模拟，最终获得碳纳米锥构型。本发明利用计算机模拟技术提出了一种通过剪裁实现石墨烯片向CNC结构转变的设计方法，且可实现对其锥角、长度等结构参数的调控，该方法的提出对碳纳米锥的实验制备具有重要的指导意义。

说明书

技术领域

本发明属于纳米碳材料技术领域，具体地说，涉及一种基于裁剪诱导石墨烯卷曲形成碳 纳米锥的设计方法。

背景技术

自从1991年Iijim发现碳纳米管以来，各种碳纳米结构吸引了众多科技工作者的广泛关 注和深入研究，包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米锥(CNC)等。这主要是因为这些碳纳米结 构存在着诸多奇特且异常显著的物理化学性能，如高强度、低密度、高导电率、高导热率和 大的比表面积等特性。这些碳纳米结构在各个工程领域存在着广泛而重要的潜在应用,例如 纳米机电系统、纳米传感器领域等。

其中CNC由于其独特的锥形不对称结构正受到越来越多的科技工作者的关注。例如， 其结构上的梯度性质，促使CNC可以作为一种梯度功能材料；理论研究发现CNC具有优异 的热整流性能、电子场发射性能和气体储存性能；中空的CNC可以作为纳米流体二极管， 实现生物细胞膜的离子整流功能；如果将CNC制作成STM/AFM探针，其小的锥角使其有 望获得比碳纳米管探针更高的分辨率。

CNC的研究最早见著于1994年Ge和Sattler对该结构的预测。随后,Krishnan等通过 实验证实CNC的存在。目前实验上制备CNC的方法主要是通过等离子体火焰热解碳氢化合 物(热解温度一般大于2000℃)，使其分解为碳和氢，通过优化和调控反应条件，将其中 的碳在石墨或其它基体上进行化学气相沉积，获得了CNC结构。然而该种获得CNC的方法 存在诸多的缺陷：产率低，只有不到20％的碳转化为CNC；反应温度高(≥2000℃)，能耗 大；制备得到的CNC存在结构缺陷；只能获得锥角一定的CNC(20°、40°、60°)。因此，为 了实现碳纳米锥在诸多领域中的应用，亟需一种高产率、低缺陷、可控锥角且能耗低的制备 方法。

目前，实验上已经能够通过化学气相沉积、自上而下光刻蚀、外延生长等技术获得任意 形状和大小的石墨烯。因此，基于目前实验上针对石墨烯的制备技术，本发明利用计算机模 拟技术提出了一种通过剪裁实现石墨烯片向CNC结构转变的设计方法，且可实现对其锥角、 长度等结构参数的调控。该方法的提出对碳纳米锥的实验制备具有重要的指导意义。

发明内容

为了实现对石墨烯CNC结构锥角、长度等结构参数的调控，本发明特别涉及了一种裁 剪诱导石墨烯自发卷曲形成碳纳米锥的设计方法，步骤如下：

1)在Materials Studios软件中构建不同半径的圆形石墨烯片；

2)将上述圆形石墨烯片自圆心沿任一半径方向裁剪出一条缝隙；

3)对裁剪后的石墨烯运用Materials Studios软件中Discover模块进行分子力学优化和 动力学模拟，最终获得碳纳米锥构型。

进一步的，所述步骤1)中圆形石墨烯片的半径为或

进一步的，所述步骤2)中沿半径方向裁剪的缝隙平均宽度

进一步的，所述步骤3)中分子力学优化的步骤为采用COMPASS力场对裁剪后的石墨 烯进行力场和电荷参数的分配，然后选择Smart Minimizer优化方法对构建的石墨烯进行分 子力学优化。

进一步的，所述步骤3)中动力学模拟的具体参数设置为：模拟系综选择正则系综，温 度设置为298K，控温方法选择Berendsen方法，时间步长设置为1fs。

进一步的，所述步骤3)中分子力学优化和动力学模拟过程中，石墨烯原子之间范德华 相互作用采用Atom-based求和方法进行计算，静电相互作用采用Ewald求和方法进行计算。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的裁剪诱导石墨烯自发卷曲 形成碳纳米锥的设计方法，与现有技术相比：耗能低，在室温下就能自发组装形成碳纳米锥； 产率高，只要初始石墨烯结构设计合理，都能自发组装形成碳纳米锥；碳纳米锥的长度可控， 通过改变初始圆形石墨烯的半径，就能实现对所形成的碳纳米锥的长度进行调控。本方法从 理论上提出了一种设计制备碳纳米锥的方法，在未来功能纳米器件的设计和制备中有重要应 用价值。

附图说明

图1本发明的裁剪石墨烯构型图；

图2本发明中裁剪诱导石墨烯形成碳纳米锥构型变化图；

图3本发明的裁剪诱导不同半径石墨烯形成的碳纳米锥构型图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

碳纳米锥因其力学、电学、光学、热学特性等优点而受到国内外学者的广泛关注，使其 在微纳电子器件中具有广阔的应用前景。本发明针对现有制备技术上的不足，基于分子模拟 技术提出了一种简单有效的制备碳纳米锥的方法。为获取上述碳纳米锥，具体实施步骤如下：

首先，从Materials Studios模拟软件结构数据库中导出石墨晶胞，然后沿着该晶胞的(0 01)晶向切取出长方形的单层石墨晶胞，即单层石墨烯晶胞，接着沿X，Y方向扩展该晶 胞，获得的长方形单层石墨烯结构。以该长方形石墨烯的中心为 圆心，分别以为半径，分别构建不同半径的圆形石墨烯。最 后，对所构建的石墨烯进行裁剪，即沿圆形石墨烯任一半径方向删除一列原子，从而在石墨 烯上裁出一条平均缝隙宽度小于的狭缝，获得的裁剪石墨烯构型见图1。

由于上述石墨烯的构建是人为裁剪的，因此该构型的初始能量较高，构型不稳定。为了 获得最优构型，我们首先利用Materials Studios软件中的Discover模块对所构建的五个半径 的裁剪石墨烯分别进行分子力学优化。具体步骤如下：首先采用COMPASS力场对所构建的 五个半径的裁剪石墨烯进行力场和电荷参数的分配，赋予每个原子一定的参数，使其具有碳 原子的性质，然后选择Smart Minimizer优化方法对构建的石墨烯进行分子力学优化。优化 过程中，石墨烯原子之间非键相互作用中的范德华相互作用采用Atom-based求和方法进行 计算，静电相互作用采用Ewald求和方法进行计算。

接着，对上述优化后石墨烯结构应用Materials Studios软件中Discover模块进行分子动 力学模拟，直到最终的石墨烯构型不再发生变化为止，如图2所示。分子动力学模拟的具体 参数设置为：模拟系综选择正则系综(NVT)；温度设置为298 K，控温方法选择Berendsen 方法；时间步长设置为1 fs。在分子动力学模拟过程中，石墨烯原子之间非键相互作用中的 范德华和静电相互作用同样分别采用Atom-based求和方法和Ewald求和方法进行计算。

最终，经过分子动力学模拟后，所构建的半径分别为的 圆形石墨烯，自发卷曲，分别形成了94.3°、83.5°、66.2°、53.3°、52.4°的碳纳米锥，如图3 所示。从图3中可以看出，石墨烯自发卷曲形成了锥形结构，并且石墨烯的半径越小，其锥 角越大。不同半径的圆形石墨烯的模拟结果证明了通过剪裁获得CNC结构的设计方法是合 理可行的。

本发明的设计方法通过改变石墨烯自身结构，利用石墨烯自身的范德华相互作用(变形 的能力)及弹性相互作用(抵抗变形的能力)，自发组装形成了碳纳米锥。在组装过程中， 石墨烯原子间的范德华相互作用使得石墨烯开始卷曲，然而随着石墨烯的卷曲，其弹性相互 作用逐渐增强，当石墨烯原子间的范德华相互作用与弹性相互作用相等时，卷曲结束。随着 石墨烯半径的减小，其原子间的范德华相互作用和弹性相互作用都会减小，但弹性相互作用 减小的幅度较小，所以半径越小，越难卷曲，形成的锥角越大。

本发明基于结构裁剪形成碳纳米锥的设计方法，可以通过改变圆形石墨烯半径的大小， 实现对碳纳米锥长度的调控，满足不同的应用需求，在未来功能纳米器件中有重要应用价值。 同时，该方法可以拓展到其它二维材料，如氮化硼的锥状纳米结构制备。因此，本发明为二 维材料制备锥状纳米结构提供了一种新方法。

以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的一种，应当指出，本发明不限于上述 实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本 质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。