[发明专利]连续制备碳纳米材料、碳原子链和石墨烯的方法

权利要求书

1.一种连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述连续制备碳纳米材料的方法包括：结合原子磁性、电子自旋参数和计算量选择第一性原理分子动力学模拟，或选择适宜的原子间势函数进行经典分子动力学模拟；第一性原理分子动力学模拟方法或经典分子动力学模拟确定后，再进行模具材料、表面晶向、温度、间隙尺寸、固定和活动原子的范围、籽晶牵引速度、碳源温度、入射速度各因素参数的调整，使碳纳米材料在模拟过程中连续、可控生长；

所述连续制备碳纳米材料的方法进一步包括：

步骤一，建立生长所用的晶格模具模型、选择原子间势函数及选择分子动力学模拟方法；

步骤二，进行分子动力学模拟，将碳原子链或石墨烯籽晶插入晶格模具的通孔或狭缝中，籽晶左端露出摸具，通孔或狭缝右端留有空间，然后将碳源以一定流量和流速从通孔或狭缝右端注入，碳源在通孔或狭缝内向左运动后与籽晶链接成键，同时以匹配的速度向左牵引籽晶左端，带动整个碳纳米材料向左移动，为碳源注入留下空间；

步骤三，进行步骤一~步骤二重复循环，使碳纳米材料连续、可控地生长；

步骤一中，所述晶格模型包括模型框架、模具和碳纳米材料籽晶，模具中有以直径为R的通孔或有宽度为h的狭缝；

以Cu、Ni、Au、Ag、Pt金属或合金晶体作为模具，晶格模具中开有直径为R的通孔或宽度为h的狭缝；所述通孔在晶格中的晶体方向选择[1 1 1]、[1 1 0]、[0 0 1]晶向，通孔直径R的取值范围为：4Å  R  15Å；所述狭缝在晶格中的晶面选择(1 1 1)、(1 1 0)、(0 0 1)晶面，狭缝宽度h的取值范围为：4Å  h  20Å；

步骤一选择分子动力学模拟方法中，结合原子磁性、电子自旋、计算量因素进行第一性原理分子动力学模拟，或选择进行经典分子动力学模拟，进行经典分子动力学模拟时，碳原子链采用Tersoff势函数或REBO势函数、模具金属采用EAM势函数进行经典分子动力学模拟，碳原子和金属原子间的势函数采用Lennar-Jones势或Mores势。

2.如权利要求1所述的连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，步骤二中，通孔周边大于15Å距离若干原子被固定，剩余原子和碳纳米材料籽晶温度大于30K，且小于金属或合金熔点的2/3模拟温度下驰豫和热振动；模拟中碳纳米材料籽晶左端若干原子以入射速度小于10 Å/ps被牵引向左；

步骤二中，被注入碳源原子的模具的温度小于1200K且小于金属或合金熔点的2/3；

碳源温度小于 1500 K。

3.一种如权利要求1所述连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述碳纳米材料为碳原子链，制备碳原子链的方法包括以下步骤：

步骤1，选择相关分子动力学模拟所用原子间势函数，并建立生长所用的晶格模具模型；

步骤2，进行分子动力学模拟，将碳原子链籽晶插入晶格摸具中的通孔或狭缝中，籽晶左端露出通孔或狭缝，通孔或狭缝右端留有空间；将碳源从通孔或狭缝右端注入；

碳源在通孔或狭缝内向左运动后与碳原子链籽晶链接成键，形成碳原子链新的组成部分，同时以调整后的匹配的速度及各因素参数向左牵引籽晶左端，带动整个碳原子链或石墨烯向左移动，为碳源注入留下空间；

步骤3，进行步骤1~步骤2的重复循环，使碳原子链连续、可控地生长。

4.一种如权利要求1所述连续制备碳纳米材料的方法，其特征在于，所述碳纳米材料为石墨烯，制备石墨烯的方法包括以下步骤：

步骤1，选择相关分子动力学模拟所用原子间势函数，并建立生长所用的晶格模具模型；

步骤2，进行分子动力学模拟，将石墨烯籽晶插入晶格摸具中的狭缝中，籽晶左端露出狭缝，狭缝右端留有空间；将碳源从狭缝右端注入；

碳源在狭缝内向左运动后与石墨烯籽晶链接成键，形成石墨烯新的组成部分，同时以调整后的匹配的速度及各因素参数向左牵引籽晶左端，带动整个石墨烯向左移动，为碳源注入留下空间；

步骤3，进行步骤1~步骤2的重复循环，使石墨烯连续、可控地生长。

5.一种利用权利要求1~4任意一项所述连续制备碳纳米材料的方法制备的碳纳米器件。