测试碳纳米管温度特性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纳米管，尤其涉及一种测试碳纳米管温度特性的方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管是一种新型的纳米级材料，由于其具有许多优良的性质，如:超强的机械性能，良好的导电性能，良好的电磁性能，良好的光学性能以及良好的吸附、催化性能，它已经被广泛地应用于化学，生物，农业以及航空等领域。用羟基修饰的改性碳纳米管具有良好的温度特性，这种特性可以应用于多种场合，如温度传感器等。但是对于纳米级的碳纳米管来说，实验测试其温度特性依然十分困难。实验中一般测试碳纳米管的温度特性都是在设定的温度下进行，通过电压电流曲线得到碳纳米管的温度导电特性。实验设备在测试过程等都会有一定的误差，影响其准确性。另一方面，通过理论计算也能测试碳纳米管的温度特性，但是对计算方法、力场以及计算步骤等条件的选择对测试结果的准确性也至关重要。所以，探索一种能快速、准确测试碳纳米管温度特性的方法变得尤为重要且具有现实意义。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，解决碳纳米管温度特性测试困难的问题，本发明提供一种测试碳纳米管温度特性的方法。该方法结合了量子力学以及分子动力学，利用密度泛函等理论，从分子层面进而到原子层面去测试碳纳米管在不同温度条件下的导电性，从而得到它的温度特性。
[0004]实现本发明目的的技术方案包括如下步骤:
1)确定碳纳米管的结构参数；
2)利用MaterialsStud1软件对碳纳米管进行建模；
3)利用MaterialsStud1软件中的Forcite模块对碳纳米管进行几何优化；
4)利用MaterialsStud1软件中的Forcite模块对碳纳米管进行分子动力学计算，计算不同温度下碳纳米管的变化；
5)利用MaterialsStud1软件中的CASTEP模块对碳纳米管进行量子力学计算，计算它的能带结构；
6)记录不同温度下碳纳米管的带隙，然后绘制温度一带隙图；
7)根据所绘制的温度一带隙图，分析碳纳米管温度与带隙的函数关系，从而完成碳纳米管温度特性的测试。
[0005]所述步骤I)的参数包括碳纳米管的手性以及直径、长度。
[0006]本发明在步骤3)进行几何优化时，Algorithm选择Smart，Optimize cell不勾选，力场选择 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都选取 Ewald0
[0007]在步骤4)中，系统选取NPT。
[0008]在步骤5)中，任务选取Energy，交换关联能选取GGA/PBE，勾选Metal，截断能设置为340 eV，A点设置为IX 1X5，性质勾选能带和态密度。
[0009]本发明选取温度区间273K?373K作为温度变量。
[0010]进一步，为了保证结果的准确性，本发明还包括在步骤3)之前验证体系是否达到平衡。
[0011]验证参数包括体系温度、体系密度和体系MSD JfMSD取对数值，当其对数值与时间成线性关系，判为体系已达到平衡。其中MSD即体系均方位移。
[0012]本发明的优点在于:从量子力学的角度，结合分子动力学的方法，先通过分子力学来模拟分子在不同环境下结构的真实情况，省时省力；然后再使用量子力学计算其温度导电性质，结果精确；从而快速准确地测试碳纳米管的温度特性，方法简单有效。
【附图说明】
[0013]图1本发明方法的流程图；
图2本发明中带有2个官能团的改性碳纳米管模型示意图；
图3本发明中带有10个官能团的改性碳纳米管模型示意图；
图4本发明中带有2个官能团的改性碳纳米管几何优化结构示意图；
图5本发明中带有10个官能团的改性碳纳米管几何优化结构示意图；
图6本发明中体系温度示意图；
图7本发明中体系密度示意图；
图8本发明中体系MSD示意图；
图9本发明中带有2个官能团的改性碳纳米管的能带结构示意图；
图10本发明中带有10个官能团的改性碳纳米管的能带结构示意图；
图11本发明中带有2个官能团的改性碳纳米管带隙与温度之间的关系示意图；
图12本发明中带有10个官能团的改性碳纳米管带隙与温度之间的关系示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面将结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述。
[0015]本发明测试碳纳米管温度特性的方法流程如图1所示，具体实施过程如下:
I)本实施过程选取手性为(9，9 )的单壁碳纳米管为例，为了能更好地验证以羟基官能团修饰的(9，9)改性碳纳米管的温度特性，本发明方案中选取了 2个官能团和10个官能团修饰的改性碳纳米管进行测试。图2和图3分别为带有2个官能团和10个官能团(9，9)改性碳纳米管，利用Materials Stud1软件建立的模型的示意图。
[0016]2)为了保证结果的准确性，本发明先验证了体系是否达到平衡。如图6、图7、图8分别为体系温度、体系密度和体系MSD,对MSD取对数值，可以看到其对数值基本成线性关系，可知体系已达到平衡。
[0017]3)利用Materials Stud1的Forcite模块，先进行构型几何优化，Algorithm选择 Smart，Optimize cell 不勾选，力场选择 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都选取Ewald。图4、图5分别为几何优化后的2个官能团与10个官能团的改性碳纳米管。
[0018]4)之后利用Materials Stud1的Forcite模块进行分子动力学的运算，系统选取NPT，分别计算不同温度下改性碳纳米管的变化。
[0019]5)利用Materials Stud1的CASTEP模块对优化过后的改性碳纳米管进行能带结构计算。任务选取Energy，交换关联能选取GGA/PBE，勾选Metal。截断能设置为340 eV，左点设置为1X1X5，性质勾选能带和态密度。图9、图10分别为带有2个官能团和带有10个官能团的改性碳纳米管的能带结构图。
[0020]6)记录不同温度下碳纳米管的带隙，分析改性碳纳米管的能带结构图，绘制其温度一带隙图。如图11、图12分别为带2个官能团和10个官能团的温度一带隙图，横轴表示温度(K)，纵轴表示带隙(eV)。带隙在一定程度上可以表现出材料的导电性，带隙越大，导电性越差；反之亦然，带隙为O时材料为导体。
[0021]本发明方案中选取了带有2个和10个官能团的改性碳纳米管作为对比，是为了验证改性碳纳米管的温度特性，增加其可信度。另外一般而言，大多数器件的工作温度都为273K-373K，所以本发明方案选此温度区间作为温度变量。
[0022]7)分析:从图11和图12可知，带有2个和10个官能团的改性碳纳米管带隙都随着温度的增加而增加，导电性变差，呈现的是负温度导电特性。
【主权项】
1.测试碳纳米管温度特性的方法，包括下述步骤: 确定碳纳米管的结构参数； 利用Materials Stud1软件对碳纳米管进行建模； 利用Materials Stud1软件中的Forcite模块对碳纳米管进行几何优化； 利用Materials Stud1软件中的Forcite模块对碳纳米管进行分子动力学计算，计算不同温度下碳纳米管的变化； 利用Materials Stud1软件中的CASTEP模块对碳纳米管进行量子力学计算，计算它的能带结构； 记录不同温度下碳纳米管的带隙，然后绘制温度一带隙图； 根据所绘制的温度一带隙图，分析碳纳米管温度与带隙的函数关系，从而完成碳纳米管温度特性的测试。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤I)的参数包括碳纳米管的手性以及直径、长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤3)进行几何优化时，Algorithm选择 Smart，Optimize cell 不勾选，力场选择 COMPASS, Electrostatic 和 van der Waals 都选取Ewald。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤4)中，系统选取NPT。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤5)中，任务选取Energy，交换关联能选取GGA/PBE，勾选Metal，截断能设置为340 eV，々点设置为I X I X 5，性质勾选能带和态密度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:选取温度区间273K?373K作为温度变量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:还包括在步骤3)之前验证体系是否达到平衡。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:验证参数包括体系温度、体系密度和体系MSD JiMSD取对数值，当其对数值与时间成线性关系，判为体系已达到平衡。
【专利摘要】本发明涉及测试碳纳米管温度特性的方法，该方法结合了量子力学以及分子动力学，利用密度泛函等理论，从分子层面进而到原子层面去测试碳纳米管在不同温度条件下的导电性，从而得到它的温度特性。本发明从量子力学的角度，结合分子动力学的方法，先通过分子力学来模拟分子在不同环境下结构的真实情况，省时省力，然后再使用量子力学计算其温度导电性质，从而可以快速准确地得到测试结果，方法简单有效。
【IPC分类】G01R31-00
【公开号】CN104535859
【申请号】CN201410799533
【发明人】杨宁, 陈显平, 杨道国
【申请人】桂林电子科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月19日