本發(fā)明涉及納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

納米發(fā)電機(jī)是將p型半導(dǎo)體或者n型半導(dǎo)體與二維磷表面襯體交互作用，通過n型半導(dǎo)體在表面輸出電子，p型半導(dǎo)體在表面得到電子，在外接電路的作用下形成回路，達(dá)到穩(wěn)定的納米級(jí)發(fā)電裝置。納米發(fā)電機(jī)由于其獨(dú)特的穩(wěn)定性，環(huán)保性，重復(fù)利用性以及高輸出功率的優(yōu)勢(shì)，成為諸多納米電子器件的熱門研究領(lǐng)域。而其獨(dú)特的設(shè)計(jì)感念也成為納米發(fā)電機(jī)成為新一代熱門機(jī)械器件。而如今，如何找到更穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)和提高分子吸附后電子傳輸效率成為提高納米發(fā)電機(jī)功能的關(guān)鍵。

tetrafluorotetracyanoquinodimethane（f4tcnq），benzylviologen(bv)分子吸附在不同在二維材料表面有較高穩(wěn)定性已經(jīng)得到各類研究二維材料人員的印證。f4tcnq是p型分子，即當(dāng)其吸附在二維材料上，使二維材料成為p型半導(dǎo)體，bv則是n型分子，即當(dāng)其吸附在二維材料上，使二維材料成為n型半導(dǎo)體。它們的穩(wěn)定性都要大于其它的p型和n型分子，成為納米發(fā)電機(jī)優(yōu)選的研究分子。

納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司提出了一件關(guān)于集成納米發(fā)電機(jī)的中國(guó)專利申請(qǐng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01210199363.3），增強(qiáng)了輸出電壓。該集成納米發(fā)電機(jī)由至少兩個(gè)串聯(lián)集成單元m在大面積的覆有砂粒的金屬層上平行集成，串聯(lián)集成單元m由至少兩個(gè)納米發(fā)電機(jī)在垂直于金屬層方向串聯(lián)集成，使輸出電流和電壓性能高，能將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成電能。但是，由于需要大面積的金屬層，提高了能耗和成本，而本文提出的利用吸附能轉(zhuǎn)換成電能，無(wú)限循環(huán)使用的新型納米發(fā)電機(jī)，卻大大改善了設(shè)計(jì)上的欠缺。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)及其設(shè)計(jì)方法，解決了能耗成本高，利用率低等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種納米發(fā)電機(jī)，包括磷烯二維材料基底、強(qiáng)電子受體和強(qiáng)電子施體、外加電路和諧振器，所述的強(qiáng)電子受體和強(qiáng)電子施體分別與磷烯二維材料基底以范德華力連接，并在外加電路的作用下通過諧振器帶動(dòng)所述強(qiáng)電子受體和強(qiáng)電子施體振動(dòng)形成電流回路。

進(jìn)一步的，強(qiáng)電子受體優(yōu)選f4tcnq分子，強(qiáng)電子施體優(yōu)選bv分子。

進(jìn)一步的，磷烯二維材料優(yōu)選γ-p二維材料。

上述納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

（1）構(gòu)建二維磷烯γ-p單層結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；

（2）分別構(gòu)建強(qiáng)電子受體f4tcnq分子和強(qiáng)電子施體bv分子的結(jié)構(gòu)模型，并分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；

（3）再將優(yōu)化好的f4tcnq和bv分子（即步驟（2）所述的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）放在優(yōu)化好的二維磷γ-p（即步驟（1）所述的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）表面的不同吸附位上，再分別對(duì)放在不同吸附位上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算不同吸附位上的吸附能，找出其最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；

（4）計(jì)算步驟（3）最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的f4tcnq和bv分子的bader電荷轉(zhuǎn)移量，并計(jì)算該最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電流量，得到其應(yīng)用時(shí)的功率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明具有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)包含f4tcnq和bv分子作為吸附分子，其具有較大的吸附能，而選用的γ-p二維材料與黑磷及藍(lán)磷等二維材料相比，具有較高的穩(wěn)定性。

（2）分子與基底二維材料通過范德華力連接，在運(yùn)行發(fā)電過程中，分子反復(fù)震動(dòng)并不會(huì)對(duì)基底和分子造成損害，具有極其穩(wěn)定可操作性的特點(diǎn)。

（3）同時(shí)分子吸附在γ-p二維材料上形成的吸附體系與f4tcnq/phosphorene以及bv/phosphorene相比具有較高和接近的電荷轉(zhuǎn)移量（f4tcna分子可以從基底二維材料得到0.72?e?，而bv分子可以向基底二維材料傳輸0.76?e?），電荷轉(zhuǎn)移量的利用率高達(dá)94.73%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前研究黑磷的效率47.54%，并且吸附分子可以反復(fù)使用，大大減少能源消耗。

（4）本發(fā)明通過f4tcnq和bv分子吸附，使其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性能和高效的使用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理圖。

圖2是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的f4tcnq/γ-p的吸附俯視圖。

圖3是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的f4tcnq/γ-p的吸附主視圖。

圖4是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的bv/γ-p的吸附俯視圖。

圖5是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的bv/γ-p的吸附主視圖。

圖6是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的f4tcnq/γ-p的bader電荷轉(zhuǎn)移圖。

圖7是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的bv/γ-p的bader電荷轉(zhuǎn)移圖。

圖8是本發(fā)明的有高效轉(zhuǎn)化率的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率與頻率關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本發(fā)明所述的納米發(fā)電機(jī)，包括磷烯二維材料基底、強(qiáng)電子受體f4tcnq分子和強(qiáng)電子施體bv分子、外加電路和諧振器，所述的f4tcnq分子和bv分子分別與磷烯二維材料基底以范德華力連接，在外加電路的作用下通過諧振器帶動(dòng)f4tcnq分子和bv分子振動(dòng)形成電流回路。

其中，強(qiáng)電子受體f4tcnq分子，強(qiáng)電子施體bv分子，這兩種分子分別是n型分子和p型分子中轉(zhuǎn)移電子能力很強(qiáng)的分子，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，將f4tcnq和bv分子組合做為發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電分子是最高效的優(yōu)選方案。

磷烯二維材料優(yōu)選γ-p二維材料?，F(xiàn)階段通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬共得到4種可能存在的二維磷結(jié)構(gòu)，由于γ-p二維材料有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性能，其電子輸運(yùn)性質(zhì)易受分子摻雜對(duì)它的影響，成為這四類材料的首選。

本發(fā)明所述的納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

第1步

1.1構(gòu)建二維磷烯γ-p單胞結(jié)構(gòu)：晶格常數(shù)扶手椅邊為3.28?，鋸齒形邊為5.43?，加20?的真空層導(dǎo)出；

1.2使用了fhi-aims軟件，以第一性原理為理論基礎(chǔ)，采用pbe泛函進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：能量收斂精度為1*10^-3mev/atom，力的收斂精度為10^-5ev/?，采用15*15*1的k點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算所用的贗勢(shì)為全電子贗勢(shì)；

1.3對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)supercell，得到單層穩(wěn)定的γ-p二維材料。

第2步

2.1在ms中分別構(gòu)建出f4tcnq分子和bv分子的結(jié)構(gòu)模型；

2.2并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：本發(fā)明使用了fhi-aims軟件，以第一性原理為理論基礎(chǔ)，采用pbe+vdw的泛函，能量收斂精度為1*10^-3mev/atom，力的收斂精度為10^-5ev/?，采用9*9*1的k點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算所用的贗勢(shì)為全電子贗勢(shì)，從而可以獲得準(zhǔn)確度更高的f4tcnq和bv分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

第3步

3.1將優(yōu)化后的f4tcnq分子和bv分子放在單層穩(wěn)定的γ-p二維材料的不同吸附位上：采用pbe+vdw泛函，能量收斂精度為1*10^-3mev/atom，力的收斂精度為10^-5ev/?，采用3*3*1的k點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算所用的贗勢(shì)為全電子贗勢(shì)；

3.2并分別計(jì)算該穩(wěn)定吸附位下的吸附能，找到最穩(wěn)定的吸附位，確定最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

第4步

計(jì)算步驟（3）最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的f4tcnq和bv分子的bader電荷轉(zhuǎn)移量，并計(jì)算該最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電流量，得到其應(yīng)用時(shí)的功率。

第5步

畫出輸出電壓與吸附能關(guān)系的匹配圖。

實(shí)施例

如圖1-8所示，本發(fā)明提供一種納米發(fā)電機(jī)，包括f4tcnq和bv分子、干凈的二維磷γ-p表面。

首先制備f4tcnq和bv分子。在ms中構(gòu)建出f4tcnq和bv分子的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算得到優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)。我們使用了fhi-aims軟件，以第一性原理為理論基礎(chǔ)，采用pbe+vdw的泛函，從而可以獲得準(zhǔn)確度更高的f4tcnq和bv分子，

f4tcnq和bv分子放在二維磷γ-p表面上的頂位或者穴位位置上。

f4tcnq分子由c、f、n三種原子構(gòu)成，分子式為c12f4n4；bv分子由c、f、h三種原子構(gòu)成，分子式為c24f2h22。

襯體二維磷γ-p單層構(gòu)型，磷原子上下交替，構(gòu)成類似石墨烯的蜂窩狀的二維材料，f4tcnq分子襯底是64磷原子，bv分子襯底是80磷原子。特別的，襯體二維磷γ-p必須是干凈無(wú)雜質(zhì)的。

然后對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行bader電荷計(jì)算，得到f4tcnq和bv分子轉(zhuǎn)移得失電荷量。

根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，我們采用pbe+vdw^surf為泛函。在二維材料中范德華力已經(jīng)成為必不可少的考慮因素因此在優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)考慮到范德華力的影響使得計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)有效。