[发明专利]一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法

说明书

本发明公开了一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，首先，针对需要进行掺杂的原子，进行石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，找出最易于原子掺杂的边缘掺杂点；通过分子动力学计算找边缘掺杂点微观结构与介观几何结构的关系；然后，通过搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维几何结构，并以此结构对石墨烯进行刻蚀生成石墨烯超材料；最后，利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及石墨烯材料的改性技术，尤其涉及一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法。

背景技术

超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。

石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。

石墨烯超材料因石墨烯内部原子以sp2杂化链节，结构极为稳定，难以直接与掺杂原子进行反应，改性较为困难。因此提出一种石墨烯超材料改性方法具有重要意义。

现有石墨烯超材料改性方法主要通过掺杂实现，其中主要有吸附掺杂和晶格掺杂。吸附掺杂是过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的。吸附方法维将石墨烯暴露在水、氧气、氮气、二氧化氮等气体环境中，气体分子会吸附在石墨烯上，改变石墨烯性能。晶格掺杂是将所需掺杂原子替换掉石墨烯中的碳原子，以此改变石墨烯性质。晶格掺杂方法主要有CVD法和离子注入法。CVD法为石墨烯通过化学气相沉积方法可以大面积制备,在制备过程中或后处理中,通过引入不同的反应源,可以使石墨烯晶格结构中的部分碳原子被其他原子代替,形成晶格掺杂，离子注入法是通过高能离子注入设备，直接对成品石墨烯进行离子注入从而完成掺杂。

然而，运用吸附掺杂进行石墨烯超材料改性其改性效果大多不稳定，吸附完成后随着时间的推移性质会慢慢发生改变。运用CVD法进行掺杂制备起来效率较高，且操作也不是很困难。但就是设备技术要求较高，需要相应的一些高水平的设备才能精确无误地实现该实验，成本也是相当高的。

离子注入法任然存在和上面一个方法相同的问题，即对于设备技术要求较高，成本花费也比较大。且其与CVD方法一样，掺杂灵活性较低，需要同时对整块石墨烯材料进行掺杂。

发明目的

本发明的目的就是为了解决现有石墨烯超材料改性方法成本高，灵活性不足的问题，提供一种更加便捷、可靠、灵活的石墨烯超材料改性方法，即提供一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性技术，在降低石墨烯超材料改性成本的同时，增加改性的灵活性。本发明可以用过二维几何结构设计控制边缘掺杂点数量，进而控制掺杂，过程较为灵活。

发明内容

本发明提供了一种基于边缘拓扑优化的石墨烯超材料改性方法，通过原子掺杂来实现，包括以下步骤：

步骤1：针对需要进行掺杂的原子，进行石墨烯不同边缘结构与掺杂原子结合能的第一性原理计算，找出最易于原子掺杂的边缘掺杂点，通过分子动力学计算找边缘掺杂点微观结构与介观几何结构的关系；

步骤2：通过搭建几何优化仿真模型，找到最易大量形成边缘掺杂点的石墨烯超材料二维几何结构，并以此结构对石墨烯进行刻蚀生成石墨烯超材料；

步骤3：利用石墨烯边缘较易发生反应的特性，直接通过含掺杂原子的气体或溶液对石墨烯超材料进行处理，得到边缘改性石墨烯超材料。