一種新型二維層狀碳材料的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種新型二維層狀碳材料，該材料為石墨烯片層中產(chǎn)生一定數(shù)目碳空位后形成的所有二維層狀結(jié)構(gòu)。碳原子在平面內(nèi)形成六元環(huán)以及其它數(shù)目的原子環(huán)相連的排列樣式，從而構(gòu)成一種具有奇特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用操作簡(jiǎn)單、成本低、計(jì)算準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛且重復(fù)性好的第一性原理計(jì)算方法，從原子尺度給出這種新型二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)。該材料在未來(lái)可作為潛在的新一代電子元件或晶體管的候選材料，具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和研究意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種新型二維層狀碳材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料學(xué)和物理學(xué)交叉領(lǐng)域，具體涉及了一種新型二維層狀碳材料。
【背景技術(shù)】
[0002]碳是組成地球生命的最常見(jiàn)的一種元素。自然界存在金剛石和石墨兩種常見(jiàn)的碳的同素異形體，分別由SP3和SP2雜化的碳原子組成周期性網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成。這兩種碳的同素異形體均有獨(dú)特的物理性質(zhì)，如硬度、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、潤(rùn)滑性等。理論上，通過(guò)改變由SP3、SP2和SP雜化的碳原子組成的周期性網(wǎng)絡(luò)的排列樣式，可構(gòu)建出眾多碳的同素異形體結(jié)構(gòu)。隨著制備工藝的進(jìn)步，理論設(shè)計(jì)具有優(yōu)異物理性質(zhì)的碳的同素異形體，在未來(lái)將有望被合成出來(lái)。如Kroto等人于1895年首次觀察到富勒烯(C60) (Kroto, et al.Nature, 1985,318,162-163),這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志人工合成碳的同素異形體時(shí)代的開(kāi)始。1991年，日本科學(xué)家Ii jima 發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs) (Ii jima.Nature, 1991, 354, 56-58)。在這種一維納米材料中，碳原子卷曲成管狀。2004年科學(xué)家Novoselov和Geim等人采用物理剝離的方法又成功分離出石墨烯(graphene),證實(shí)其可單獨(dú)存在(Novoselov, Geim,.et al.Science, 2004,306，666-669 ；Nature, 2005，438，197-200)。未來(lái)合成新型碳的同素異形體的研究遠(yuǎn)沒(méi)有到頭。 [0003]石墨烯的結(jié)構(gòu)可以看成是單層石墨片層，類(lèi)似于金剛石，是一種亞穩(wěn)態(tài)碳材料。石墨烯存在自身易被氧化且熱力學(xué)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。盡管如此，這種碳材料仍然是一種很有前景的材料。研究表明石墨烯屬于零帶隙半導(dǎo)體，電子從價(jià)帶向?qū)кS遷不需要額外的能量。它的電阻率極低(約10_6Ω.Cm)，電子輸運(yùn)速度極快(常溫下電子遷移率超過(guò)15000cm2/V *S)。理論計(jì)算顯示石墨烯在費(fèi)米面處的狄拉克點(diǎn)，打開(kāi)很小的自旋軌道耦合能隙，這與實(shí)驗(yàn)觀察相吻合。這一獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)使它有望發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管材料，以滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)材料的不同使用要求(如Ponomarenko, Geim, et al.NaturePhysics,2011,7,958-961)。
[0004]實(shí)驗(yàn)表明，采用CVD等方法，生長(zhǎng)大尺度的石墨烯是可行的(如Reina，Jia, etal.Nano Lett., 2009,9, 30_35)。由于石墨烯的熱力學(xué)不穩(wěn)定性,原子在平面內(nèi)往往會(huì)有起伏，實(shí)驗(yàn)難以合成完美的、原子周期排列的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)觀察到在生長(zhǎng)出的石墨烯中不可避免的混有各種缺陷(如晶界、空位、位錯(cuò)或鍵變形等)。其中晶界是最常見(jiàn)的一類(lèi)缺陷(如Tsen, Brown, et al.Science，2012，336，1143-11466 ;Yu，Jauregui, et al.Nat.Mater.,2011，10,443-449)。理論研究表明石墨烯中晶界結(jié)構(gòu)可分為鋸齒(zigzag)型和扶手椅(armchair)型兩種類(lèi)型(如 Yazyev and Louie, Phys.Rev.B, 2010,81,195420-4 ；Capasso,Carbon, 2014,68, 330-336)。石墨烯中碳原子均為sp2雜化成鍵并形成六元環(huán)排列的周期結(jié)構(gòu)。但在晶界處，碳原子往往形成五元、七元或多元環(huán)排列結(jié)構(gòu)。晶界的出現(xiàn)使石墨烯原來(lái)的周期排列的結(jié)構(gòu)變得無(wú)序，改變了電荷在石墨烯中的分布，并引起其電學(xué)性能、輸運(yùn)特性的變化。
[0005]當(dāng)石墨烯片層中存在原子空位，會(huì)形成其它數(shù)目的原子環(huán)。理論上，通過(guò)物理或化學(xué)手段對(duì)石墨烯改性，調(diào)整碳原子在石墨烯中的排列方式，進(jìn)而改變其電學(xué)性能，有可能獲得能帶由半金屬向半導(dǎo)體連續(xù)變化、帶隙可調(diào)的材料，還能保留石墨烯材料的優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)可通過(guò)對(duì)單個(gè)碳原子進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯中原子排列方式的精確調(diào)控，來(lái)合成人們所需的新型二維層狀碳材料。
[0006]確定新型二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其后續(xù)的研究及應(yīng)用具有十分重要的意義。碳原子間的成鍵方式、結(jié)合方式有很多種，這為實(shí)驗(yàn)確定新型二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)增加了困難。而第一性原理計(jì)算法是一種操作簡(jiǎn)單、成本低、準(zhǔn)確性高、應(yīng)用廣泛且重復(fù)性好的材料預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方法。截至目前，與石墨烯晶界結(jié)構(gòu)相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。例如:Tsen，Brown, et al.Science, 2012，336，1143-11466 ；Yazyev and Louie, Phys.Rev.B,2010，81，195420-4 ;Capasso，Carbon，2014，68，330-336 等。尚未見(jiàn)與石墨烯缺陷結(jié)構(gòu)相關(guān)的中國(guó)專(zhuān)利報(bào)道。
[0007]因此，本發(fā)明采用操作簡(jiǎn)單、成本低、準(zhǔn)確性高、應(yīng)用廣泛且重復(fù)性好的第一性原理計(jì)算方法來(lái)確定二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)。對(duì)研究有機(jī)小分子、晶體材料的結(jié)構(gòu)具有重要參考價(jià)值和理論研究意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有石墨烯材料存在的不足之處而提供一種新型二維層狀碳材料。本發(fā)明提出的新型二維層狀碳材料，其特征在于，該新型二維層狀碳材料，其通式為:C2m_n(m、n為正整數(shù)，且2m-n > O)，具體包括以下幾種:
[0009](I)結(jié)構(gòu) I，C2nrlt5 [0010](2)結(jié)構(gòu) II，C2nr2。
[0011](3)結(jié)構(gòu) III，C2nr3。
[0012](4)結(jié)構(gòu) IV，C2m_4。
[0013](5)結(jié)構(gòu) V, C2m_n，其中 η ≤ 5。
[0014]所述的結(jié)構(gòu)I為:石墨烯周期單元中含有I個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
[0015]所述的結(jié)構(gòu)II為:石墨烯周期單元中含有2個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
[0016]所述的結(jié)構(gòu)III為:石墨烯周期單元中含有3個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
[0017]所述的結(jié)構(gòu)IV為:石墨烯周期單元中含有4個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
[0018]所述的結(jié)構(gòu)V為:石墨烯周期單元中含有η個(gè)(η≤5)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。[0019]上述I~V結(jié)構(gòu)，均采用以下方法獲得:
[0020](I)搭建含有不同數(shù)目碳空位的石墨烯超晶胞的初始結(jié)構(gòu)模型；
[0021](2)采用第一性原理計(jì)算方法分別對(duì)各初始的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得I~V結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0022](3)給出I~V結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)唯一確定其結(jié)構(gòu)。
[0023]具體來(lái)說(shuō)上述I~V結(jié)構(gòu)，均采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建結(jié)構(gòu)模型,并采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊對(duì)手動(dòng)搭建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后獲得。
[0024]參數(shù)設(shè)置如下:
[0025]采用超軟贗勢(shì)來(lái)描述電子-離子間相互作用，交換-關(guān)聯(lián)泛函采用局域密度近似(LDA-CAPZ)描述，布里淵區(qū)k點(diǎn)采樣采用Monkhorst-Pack(MK)方案，采用BFGS (Broyden-FIetcher-GoIdfarb-Shanno)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；
[0026]結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要參數(shù)的精度設(shè)置為:平面波截止能設(shè)置為310eV，布里淵區(qū)k點(diǎn)選取為2πχ0.04 A，每個(gè)原子的最大能量變化為5X10_6eV，施加到每個(gè)原子上的最大外力為0.01 eV/A,施加 到每個(gè)原子上的最大應(yīng)力分量為0.02GPa,每個(gè)原子最大位移為5.0X10.4 JL以上參數(shù)的精度設(shè)置對(duì)于進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化已足夠精確。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于從微觀尺度將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建模型，采用理論模擬的方法能夠深入原子量級(jí)對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行研究，以石墨烯為結(jié)構(gòu)原型，構(gòu)建新型二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)。采用理論模擬的方法不但操作簡(jiǎn)單、成本低、準(zhǔn)確性高且重復(fù)性好，還能為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供有價(jià)值的理論研究基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為石墨烯的超晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為結(jié)構(gòu)I中基于2X2X1石墨稀超晶胞的C7的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030]圖3為結(jié)構(gòu)I中基于3X3X1石墨稀超晶胞的C17的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0031]圖4為結(jié)構(gòu)II中基于2X2X1石墨稀超晶胞的C6的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0032]圖5為結(jié)構(gòu)II中基于3X3X1石墨稀超晶胞的C16的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0033]圖6為結(jié)構(gòu)III中基于3X3X1石墨烯超晶胞的C15的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖7為結(jié)構(gòu)III中基于4X4X1石墨稀超晶胞的C29的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0035]圖8為結(jié)構(gòu)IV中基于3X3X1石墨稀超晶胞的C14的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0036]圖9為結(jié)構(gòu)IV中基于4X4X1石墨稀超晶胞的C28的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0037]圖10為結(jié)構(gòu)V中基于5X5X1石墨稀超晶胞的C45的結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明中涉及的一種新型二維層狀碳材料的結(jié)構(gòu)采用Materials Studio軟件中自帶的CASTEP模塊對(duì)手動(dòng)搭建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后獲得。
[0039]下面本發(fā)明將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，本發(fā)明將提供以下實(shí)施例，但應(yīng)指出，本發(fā)明的實(shí)施不局限于以下實(shí)施方式。[0040]實(shí)施例1:
[0041]新型二維層狀碳材料結(jié)構(gòu)I可通過(guò)以下步驟給出:
[0042]采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建多種石墨烯超晶胞模型(如圖1所示)，石
墨烯可看成是單層石墨。
[0043]分別去掉2X2X1和3X3X1石墨烯超晶胞模型中任意位置的I個(gè)碳原子，獲得含I個(gè)碳空位的2 X 2 X I和3 X 3 X I石墨烯超晶胞模型。
[0044]采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊,分別對(duì)含I個(gè)碳空位的2X2X I和3X3X I石墨烯超晶胞模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得結(jié)構(gòu)I的結(jié)構(gòu)(如圖2和3所示)。采用超軟贗勢(shì)來(lái)描述電子-離子間相互作用，交換-關(guān)聯(lián)泛函采用局域密度近似(LDA-CAPZ)描述，布里淵區(qū)k點(diǎn)采樣采用Monkhorst-Pack(MK)方案，采用BFGS (Broyden-F I et cher-Go I df arb-Shanno)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要參數(shù)的精度設(shè)置為:平面波截止能設(shè)置為310eV，布里淵區(qū)k點(diǎn)選取為2πχ0.04Α,每個(gè)原子的最大能量變化為5X10_6eV，施加到每個(gè)原子上的最大外力為0.01 eV/A,施加到每個(gè)原子上的最大應(yīng)力分量為0.02GPa，每個(gè)原子最大位移為5.0404 A。
[0045]結(jié)構(gòu)I中基于2X2X I石墨烯超晶胞的C7的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0046]空間群:尸石講2(187);
[0047]晶格常數(shù):0=#=4.873A, c=10.00 A； [0048]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0049]Cl 3k(0.6525，0.8263，1/2) ；C2 8k(0.5016，0.0033，1/2)
[0050]C3 If(2/3，1/3，1/2)。
[0051]結(jié)構(gòu)I中基于3X3X I石墨烯超晶胞的C17的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0052]空間群:i^w2(187);
[0053]晶格常數(shù):α=φ=7.284A，c=10.00 A；
[0054]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0055]Cl 6m(0.3355,0.0040,1/2) ；C2 3k(0.2205,0.1102,1/2)
[0056]C3 3k(0.5536,0.1072,1/2) ；C4 3k(0.2225,0.4451,1/2)
[0057]C5 lb(l，0，l/2) ；C6 Id (1/3，2/3，1/2)。
[0058]實(shí)施例2:
[0059]新型二維層狀碳材料結(jié)構(gòu)II可通過(guò)以下步驟給出:
[0060]采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建石墨烯模型的方法與實(shí)施例1相同。
[0061]分別去掉2X2X1和3X3X1石墨烯超晶胞模型中任意位置的2個(gè)碳原子，獲得含2個(gè)碳空位的2 X 2 X I和3 X 3 X I石墨烯超晶胞模型。
[0062]采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊,分別對(duì)含2個(gè)碳空位的2X2X I和3X3X I石墨烯超晶胞模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得二維層狀碳材料II的結(jié)構(gòu)(如圖4和5所示)。
[0063]結(jié)構(gòu)II中基于2X2X I石墨烯超晶胞的C6的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0064]空間群:Cmmm(65)；[0065]晶格常數(shù):α=6.813Α? 6=6.951 A* c= 10,00 A?
[0066]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0067]Cl 8q(0.6733,0.2954,1/2) ；C2 4j (1/2，0.3965，1/2)。
[0068]結(jié)構(gòu)II中基于3X3X I石墨烯超晶胞的C16的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0069]空間群:Cmmm(65)；
[0070]晶格常數(shù):ap=13.0nA, 6=6.592 A, C=IOM A；
[0071]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0072]Cl 8q (0.0549,0.204，1/2) ；C2 8q (0.2263，0.3392，1/2)
[0073]C3 8q(0.1192,0.3821,1/2) ；C4 4h(0.3967，1/2，1/2)
[0074]C5 4h (0.29 09，1/2，1/2)。
[0075]實(shí)施例3:
[0076]新型二維層狀碳材料結(jié)構(gòu)III可通過(guò)以下步驟給出:
[0077]采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建石墨烯模型的方法與實(shí)施例1相同。
[0078]分別去掉3X3X1和4X4X1石墨烯超晶胞模型中任意位置的3個(gè)碳原子，獲得含3個(gè)碳空位的3 X 3 X I和4X 4X I石墨烯超晶胞模型。
[0079]采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊,分別對(duì)含3個(gè)碳空位的3X3X I和4X4X I石墨烯超晶胞模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得二維層狀碳材料III的結(jié)構(gòu)(如圖6和7所示)。
[0080]結(jié)構(gòu)III中基于3X3X1石墨烯超晶胞的C15的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0081]空間群:Amm2(38);
[0082]晶格常數(shù):10,00A, 6=7,292 A, c=1L4?Ai
[0083]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0084]Cl 4e(1/2,0.1764,0.0131) ；C2 4e(1/2,0.1683，-0.1090)
[0085]C3 4e (1/2,0.3098,0.1283) ；C4 4e(1/2,0.3359，-0.1627)
[0086]C5 4e (1/2，0.3303，-0.2831) ；C6 2b (1/2，1/2，0.3232)
[0087]C7 2b (1/2，1/2,0.1783) ；C8 2b (1/2，1/2，_0.1057)
[0088]C9 2b (1/2，1/2，-0.3286) ；C10 2b (1/2，1/2，_0.4452)。
[0089]結(jié)構(gòu)III中基于4X4X1石墨烯超晶胞的C29的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0090]空間群:Amm2(38);
[0091]晶格常數(shù):β=10Λ0Α,δ=9.727Α, c=!6.201 A；
[0092]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0093]Cl 4e(l/2，0.1243，_0.0491) ；C2 4e(l/2，0.1208，-0.1328)
[0094]C3 4e (1/2,0.2537,0.0689) ；C4 4e(1/2,0.2606，-0.020)
[0095]C5 4e(l/2,0.3718,0.2028) ；C6 4e (1/2，0.3738，0.1163)
[0096]C7 4e (1/2,0.2518，-0.1660) ；C8 4e (1/2,0.2530，-0.2515)
[0097]C9 4e (1/2,0.3576，-0.1050) ；C10 4e (1/2,0.3777，-0.2925)
[0098]Cll 4e (1/2，0.3736，-0.3814) ；C12 2b (1/2，1/2，0.3250)
[0099]C13 2b(1/2，1/2，0.2407) ；C14 2b(1/2，1/2，0.0832)[0100]C15 2b (1/2，1/2，-0.1424) ；C16 2b (1/2，1/2，-0.2424)
[0101]C17 2b (1/2，1/2，-0.4218) ；C18 2b (1/2，1/2，-0.5065)。
[0102]實(shí)施例4:
[0103]新型二維層狀碳材料結(jié)構(gòu)IV可通過(guò)以下步驟給出:
[0104]采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建石墨烯模型的方法與實(shí)施例1相同。
[0105]分別去掉3X3X1和4X4X1石墨烯超晶胞模型中任意位置的4個(gè)碳原子，獲得含4個(gè)碳空位的3 X 3 X I和4X 4X I石墨烯超晶胞模型。
[0106]采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊,分別對(duì)含4個(gè)碳空位的3X3X1和4X4X1石墨稀超晶胞|吳型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得二維層狀碳材料IV的結(jié)構(gòu)(如圖8和9所示)。
[0107]結(jié)構(gòu)IV中基于3X3X1石墨烯超晶胞的C14的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0108]空間群:_P6w2(187);
[0109]晶格常數(shù):0=ft=6.739A，c=10.00A5
[0110]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0111]Cl 6m (0.6760，-0.0443，1/2) ；C2 3k (0.4447，-0.1106，1/2)
[0112]C3 3k(0.8027,0.1973,1/2) ；C4 Id(0.3333，2/3，1/2)
[0113]C5 If(2/3，1/3，1/2)。
[0114]結(jié)構(gòu)IV中基于4X4X1石墨烯超晶胞的C28的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0115]空間群:尸6?2(187);
[0116]晶格常數(shù):αρφ=9.375At c=10.00 A；
[0117]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0118]Cl 3k(0.7491,0.4982,1/2) ；C2 3k(0.9979，0.4990，1/2)
[0119]C3 3k(0.1192,0.38221,1/2) ；C4 3k(0.2418，0.4836，1/2)
[0120]C5 3k(0.7158,0.8579,1/2) ；C6 6m(0.6731，0.5888，1/2)
[0121] C7 6m(0.7938,0.7588,1/2) ；C8 If(2/3，1/3，1/2)。
[0122]實(shí)施例5:
[0123]新型二維層狀碳材料結(jié)構(gòu)V可通過(guò)以下步驟給出:
[0124]采用Materials Studio軟件手動(dòng)搭建石墨烯模型的方法與實(shí)施例1相同。
[0125]去掉5X5X1石墨烯超晶胞模型中任意位置的5個(gè)碳原子，獲得含5個(gè)碳空位的5X5X1石墨稀超晶胞|旲型。
[0126]采用Materials Studio軟件中自帶的基于密度泛函理論的CASTEP模塊，對(duì)含5個(gè)碳空位的5X5X I石墨烯超晶胞模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)獲得二維層狀碳材料V的結(jié)構(gòu)(如圖10所示)O
[0127]結(jié)構(gòu)V中基于5X5X I石墨烯超晶胞的C45的結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0128]空間群:A_2(38);
[0129]晶格常數(shù):0=10.00Α? 5=11.707 A，c=20.645 A5
[0130]原子的Wyckoff坐標(biāo):
[0131]Cl 4e(l/2, -0.1011,0.0366) ；C2 4e(l/2, -0.1030,0.1034)[0132]C3 4e (1/2，-0.1968，-0.0669) ；C4 4e (1/2，-0.1953，-0.0005)
[0133]C5 4e (1/2，-0.2908，-0.1617) ；C6 4e (1/2，-0.3055，-0.0920)
[0134]C7 4e(l/2, _0.3907，_0.2657) ；C8 4e(l/2, _0.3941，-0.1977)
[0135]C9 4e(l/2, _0.2086,0.1325) ；C10 4e(l/2, _0.2179,0.2003)
[0136]Cll 4e (1/2，-0.3031,0.0240) ；C12 4e (1/2，_0.3051，0.0921)
[0137]C13 4e(l/2, _0.3856，_0.0267) ；C14 4e(l/2, _0.3230,0.2303)
[0138]C15 4e (1/2，-0.3266,0.3007) ；C16 4e (1/2，_0.4095，0.1200)
[0139]C17 4e (1/2，-0.4343，0.1888) ；C18 4e (1/2，_0.4314，0.3354)
[0140]C19 4e (1/2，-0.4050,0.4009) ；C20 2b (1/2，-1/2，-0.3633)
[0141]C21 2b (1/2，-1/2，-0.2968) ；C22 2b (1/2，-1/2，-0.1685)
[0142]C23 2b (1/2，-1/2，0.0012) ；C24 2b (1/2，-1/2，0.0755)
[0143]C25 2b(1/2，-1/2,0.4391) ；C26 2b(1/2，-1/2,0.5041)。
[0144]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方 式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，本發(fā)明顯然可以采用其它基于密度泛函理論的軟件或基于其它理論的軟件來(lái)計(jì)算。搭建其它類(lèi)似于石墨烯的初始模型來(lái)獲得的二維碳材料結(jié)構(gòu)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。計(jì)算的空間群相同且晶格常數(shù)和坐標(biāo)誤差在某個(gè)范圍內(nèi)可視為是同一個(gè)結(jié)構(gòu)而涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型二維層狀碳材料，其通式為:c2m_n(m、n為正整數(shù)，且2m-n>0)。其特征在于，該新型二維層狀碳材料具體包括以下幾種: (1)結(jié)構(gòu)LC211^
(2)結(jié)構(gòu)II，C2m_2。
(3)結(jié)構(gòu)III，C2m_3。
(4)結(jié)構(gòu)IV，C2m_4。 (5)結(jié)構(gòu)V，C2m_n，其中η≥5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型二維層狀碳材料，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)I為:石墨烯周期單元中含有I個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型二維層狀碳材料，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)II為:石墨烯周期單元中含有2個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型二維層狀碳材料，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)III為:石墨烯周期單元中含有3個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型二維層狀碳材料，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)IV為:石墨烯周期單元中含有4個(gè)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型二維層狀碳材料，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)V為:石墨烯周期單元中含有η個(gè)(n≥ 5)碳空位所形成的所有結(jié)構(gòu)；其中所述的周期單元選自一個(gè)或多個(gè)任選的超晶胞，所述的碳空位來(lái)自石墨烯周期單元中任意位置的碳原子缺失。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK103979524SQ201410200817
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】萬(wàn)錒俊, 翟進(jìn)輝 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)