1.本发明涉及一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的理论设计方法，通过该方法可以预测复合材料界面的电导率，特别是预测石墨烯/金属复合材料界面的电导率，属于复合材料技术领域。
背景技术：2.将强度高、面内电导率高的石墨烯材料与传统的铜、铝等金属相结合以提升整体材料的力学和电学性能，是近年来石墨烯增强金属基复合材料领域的重要研究热点。石墨烯具有优质的导电能力，导电率可达107s
·
m-1
，作为增强相具有巨大潜力，因此在复合材料中得到广泛应用。石墨烯与金属基底结合时，虽然石墨烯的厚度相对于金属基体来说非常薄，但是电子经过界面处仍会产生散射，制约了复合材料电学性能的提高，导致石墨烯增强材料导电效率优越性不够明显。石墨烯和金属材料之间的界面电导在复合材料的电学应用中至关重要，但是实验上表征原子级二维材料和基底金属之间的界面电导具有一定难度，并且实验存在设备要求高、价格昂贵等问题，需要花费大量人力物力，这些都阻碍了对石墨烯/金属界面电导的定量描述和局部界面原子结构的合理设计。
3.为了适应不同的实验条件，从而达到使用性能的需求，实验上主要采用频繁的尝试法模式加大了电导率的测试工作，这种方法耗时长、耗力大、成本高。随着近代理论和计算机技术的发展，计算材料学综合利用计算热力学、动力学模拟及规范评估实验数据进行数值模型预测，可以极大的减少实验周期。模拟的过程仅在计算机上即可完成，基本不受实验条件、时间和空间的限制，具有极强的灵活性和随机性，因此广泛应用于复合材料设计领域中。计算材料学中的第一原理计算方法不仅可以从原子层面上解析应力对界面电导的影响，甚至可以全面深入地研究界面导电行为，从理论角度调控界面导电性能。
4.因此，设计出一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的理论设计方法具有非常重要的意义。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种石墨烯/金属复合材料界面电导率的预测方法，通过该方法可以简单快捷地评估应力应变对石墨烯/金属界面电导的影响，以降低实验操作的复杂性和成本，缩短实验周期，具有重要的理论和实际价值。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，包括以下步骤：
8.(1)计算石墨烯和基体金属的晶格参数：通过计算材料学中的量子力学第一原理方法获得石墨烯和基体金属的晶格常数；
9.(2)构建金属/石墨烯/金属复合界面模型：基体金属作为主体，利用金属的晶格参数构建金属/石墨烯/金属界面模型，采用的石墨烯拓展表面；
10.(3)确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌：石墨烯作为中间层会产生相对
滑移，通过计算石墨烯与基体金属的界面结合能确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌；
11.(4)建模计算界面模型的理论电导值：通过基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法对稳定结合的复合界面进行器件建模并模拟计算界面的电导值；
12.(5)计算模拟在不同拉压条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值，获得应力应变与复合界面导电性能的关系曲线图；
13.(6)根据应变-电导曲线图，通过施加不同的应力来调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能。
14.所述的基体金属可为铜、铝、镁等；针对不同的金属元素，重复以上步骤，获得应变-电导曲线图。
15.步骤(2)中，构建金属/石墨烯/金属复合界面模型时，基体金属的层厚至少为12层原子；基体金属表面取向由模拟或实验结果决定。
16.步骤(3)中，通过相对滑移操作优先确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌，再基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法求出界面的电导值。石墨烯在金属层间的滑移行为直接影响到界面形貌，影响界面的导电性能。
17.在本发明的设计方法中，稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌的确定是以其对高界面结合能数值的影响为判断依据，针对不同的界面形貌构建模型并计算界面结合能，筛选出稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌。
18.步骤(5)中，通过量子力学第一性原理模拟得到应变与金属/石墨烯/金属界面电导值的关系曲线，从理论上评估施加应力应变对调节复合界面导电性能的影响。
19.本发明的优点：
20.本发明提供了一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的理论设计方法，利用该方法能够合理有效地研究应力应变对石墨烯/金属界面电导的影响，更细致深入，且具有非常广泛的应用价值。该方法借助于计算材料学，大幅度地减少了传统实验方法人力物力的支出。
附图说明
21.图1为实施例1中cu(111)/石墨烯/cu(111)的界面结构示意图。
22.图2为实施例1中cu(111)/石墨烯/cu(111)的器件体系结构示意图(主视图)。
23.图3为实施例1中cu(111)/石墨烯/cu(111)的器件体系结构的侧视图。
24.图4为应力应变与界面电导的关系曲线。
25.下面通过附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
26.本发明通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的理论设计方法，包括以下步骤：
27.(1)计算石墨烯和基体金属的晶格参数：通过计算材料学中的量子力学第一原理方法获得石墨烯和基体金属的晶格常数。
28.(2)构建金属/石墨烯/金属复合界面模型：考虑金属基底作为主体，利用金属的晶格参数构建金属/石墨烯/金属界面模型，采用的石墨烯拓展表面，构建石墨烯/金属复合界面模型时，基体金属的层厚至少为12层原子，表面取向由模拟或实验结果决定。
29.(3)确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌：考虑石墨烯作为中间层会产生相对滑移，通过计算石墨烯与金属基体的界面结合能确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌，石墨烯在金属层间的滑移行为直接影响到界面形貌，影响界面的导电性能。稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌的确定主要以其对高界面结合能数值的影响为判断依据，针对不同的界面形貌构建模型并计算界面结合能，最终能够筛选出稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌。
30.(4)建模计算界面模型的理论电导值：通过基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法，对稳定结合的复合界面进行器件建模并模拟计算界面的电导值。
31.(5)计算模拟在不同拉压条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值，评估应力应变对复合界面导电性能的影响：通过量子力学第一性原理模拟得到应变与金属/石墨烯/金属界面电导值的关系曲线，从理论上评估施加应力应变对调节复合界面导电性能的影响。
32.(6)针对不同的金属元素，重复以上步骤，获得应变-电导曲线图。
33.根据得到的应变-电导曲线图，通过选择合适的应力应变，获得所需的石墨烯和金属界面导电性能。
34.以基体金属铜为例，本发明实施步骤包括：首先，计算石墨烯和金属铜的晶格参数，接着构建金属/石墨烯/金属复合界面模型，然后考虑石墨烯作为中间层会产生相对滑移的影响，由计算材料学方法或实验结果确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌，接着建模计算界面模型的理论电导值，最后计算模拟在不同拉压条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值，评估应力应变对复合界面导电性能的影响。
35.实施例1
36.以cu(111)/石墨烯/cu(111)界面为例，其通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的理论设计方法，包括如下步骤：
37.1、计算石墨烯和金属cu的晶格常数：通过计算材料学中的量子力学第一原理方法获得石墨烯和基体金属的晶格常数，可以获得石墨烯的晶格常数为cu的晶格常数为
38.2、构建cu(111)/石墨烯/cu(111)界面：由于实验上多采用在cu(111)面生长石墨烯，因此对于石墨烯/铜界面的模拟，本发明直接采用cu(111)面以及的石墨烯拓展表面，金属原子共12层，表面取向由模拟或实验结果决定。图1为cu(111)/石墨烯/cu(111)界面模型的结构示意图，主视图和侧视图分别如图2和图3所示，大黑球为cu原子，小黑球为c原子。
39.3、确定稳定结合的cu(111)/石墨烯/cu(111)界面形貌：考虑石墨烯作为中间层会产生相对滑移，通过计算石墨烯与金属基体的界面结合能确定稳定结合的cu(111)/石墨烯/cu(111)界面形貌，石墨烯在金属层间的滑移行为直接影响到界面形貌，影响界面的导电性能。石墨烯与cu基体的界面结合能公式如下：
[0040][0041]
其中e
total
为整个界面体系的总能量，为参考态下铜单质的能量，为石墨烯在参考态下的碳单质能量，n
cu
和nc分别为体系中cu原子和c原子的数量，模拟计算结果表明cu(111)/石墨烯/cu(111)界面结合最稳定的结合能eb为-3.002ev，最稳定结构为top-fcc构型。
[0042]
4、建模计算界面模型的理论电导值：将稳定结合的cu(111)/石墨烯/cu(111)界面模型转化为如图2和图3所示的开放式双电极器件系统，体系分为左电极、中心散射区和右电极三个部分，从左电极向右电极是输运方向z。图2为cu(111)/石墨烯/cu(111)的器件体系的主视图，图3为侧视图。运用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法进行量子输运计算得到界面体系的输运性质，总电导计算公式如下：
[0043]
g＝(2e2/h)t
[0044]
其中e是电子电荷，h是普朗克常数，t是透射系数，可以通过求解中心散射区的格林函数得到。将总电导g除以如图2-2所示横截面积则可得到单位面积总电导。
[0045]
(5)计算模拟在不同拉伸压缩条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值：将cu(111)/石墨烯/cu(111)界面模型沿z轴方向拉伸或压缩1％，重复以上步骤，基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法得到不同应力应变下的cu(111)/石墨烯/cu(111)单位面积总电导，最终获得应变与cu(111)/石墨烯/cu(111)界面电导值的关系曲线。通过模拟结果可以很明显发现以下趋势：当沿z向拉伸界面时，体系单位面积总电导逐渐降低；当沿z向拉伸界面时，体系单位面积总电导逐渐降低逐渐增加，参照图4应变-电导曲线图，即石墨烯/cu(111)界面受到压应力时(应变小于0时)，界面的导电能力增强。
[0046]
(6)根据应变-电导曲线图，通过施加不同的应力来调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能。
[0047]
利用本发明，能够通过施加适当的应变，高效快捷地提升石墨烯/金属界面导电性能，对于复合材料电学方面的应用设计具有重要的理论和实际意义。
[0048]
针对不同的金属元素，可重复以上步骤，获得不同的应变-电导值曲线图。由应变-电导曲线，理论上可以通过施加应力调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能，通过该方法可以简单快捷地评估应力应变对石墨烯/金属界面电导的影响，以降低实验操作的复杂性和成本，减少实验的成本，具有重要的理论和实际价值。
技术特征：1.一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，包括以下步骤：(1)计算石墨烯和基体金属的晶格参数：通过计算材料学中的量子力学第一原理方法获得石墨烯和基体金属的晶格常数；(2)构建金属/石墨烯/金属复合界面模型：基体金属作为主体，利用金属的晶格参数构建金属/石墨烯/金属界面模型，采用的石墨烯拓展表面；(3)确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌：通过计算石墨烯与基体金属的界面结合能确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌；(4)建模计算界面模型的理论电导值：通过基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法对稳定结合的复合界面进行器件建模并模拟计算界面的电导值；(5)计算模拟在不同拉压条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值，获得应力应变与复合界面导电性能的关系曲线图；(6)根据应变-电导曲线图，通过施加不同的应力来调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能。2.根据权利要求1所述的通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，其特征在于：所述的基体金属为铜、铝或镁；针对不同的金属元素，重复以上步骤，获得应变-电导曲线图。3.根据权利要求1所述的通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，其特征在于：构建金属/石墨烯/金属复合界面模型时，基体金属的层厚至少为12层原子。4.根据权利要求3所述的通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，其特征在于：基体金属表面取向由模拟或实验结果决定。5.根据权利要求1所述的通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，其特征在于：通过相对滑移操作优先确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌，再基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法求出界面的电导值。6.根据权利要求5所述的通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，其特征在于：稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌的确定以其对高界面结合能数值的影响为判断依据，针对不同的界面形貌构建模型并计算界面结合能，筛选出稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌。
技术总结本发明公开了一种通过应力改变石墨烯和金属界面导电性能的设计方法，属于复合材料技术领域。该方法包括(1)计算石墨烯和金属基体的晶格参数；(2)构建金属/石墨烯/金属复合界面模型；(3)确定稳定结合的金属/石墨烯/金属界面形貌；(4)建模计算界面模型的理论电导值；(5)计算模拟在不同拉压条件下，金属/石墨烯/金属界面模型的电导值，评估应力应变对复合界面导电性能的影响；(6)通过施加不同的应力来调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能。该方法从理论上可以通过施加应力调控石墨烯/金属复合材料界面的导电性能，通过该方法可以简单快捷地评估应力应变对石墨烯/金属界面电导的影响，具有重要的理论和实际价值。具有重要的理论和实际价值。具有重要的理论和实际价值。
技术研发人员：肖伟 薛博育 杨辉 王立根 王建伟
受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司
技术研发日：2022.01.04
技术公布日：2022/7/5
