用于半导体发光组件的异质结发电设备及计算机构建方法与流程

1.本发明属于纳米发电设备技术领域，具体涉及一种用于半导体发光组件的异质结发电设备及计算机构建方法。


背景技术：

2.半导体发光组件，例如led以其优越的低热量、均匀发光和使用寿命长等特点广泛应用于仪器仪表、汽车、通讯设备等日常电子产品中，成为人们生活中不可或缺的一部分。然而，现有的led照明设备成本依旧高于节能灯，如何进一步提升led发电设备的输出性能，降低损耗，成为人们研发led照明设备的首要任务。


技术实现要素：

3.为了进一步提升半导体发光组件发电设备的输出性能，降低损耗，本发明提供一种兼具高效、低耗、环保、可调控等特点的用于半导体发光组件的异质结发电设备及计算机构建方法。
4.为了实现本发明目的，采用了如下技术方案：
5.一种用于半导体发光组件的异质结发电设备，包括：通过外加电路依次连接的正极、磷烯二维材料异质结基底(也称δ-p/γ-p异质结材料)和负极，间隔设置在正极和磷烯二维材料异质结基底之间的强电子受体装置，间隔设置在负极和磷烯二维材料异质结基底之间的强电子供给装置，与强电子受体装置和强电子供给装置连接的谐振器，以及用于控制谐振器震动的控制装置；
6.强电子供给装置包括bv分子(苄基紫精)层，强电子受体装置包括f4tcnq分子(2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌)层，磷烯二维材料异质结基底包括靠近bv分子层一侧的二维磷烯γ-p层和形成在二维磷烯γ-p层表面且靠近f4tcnq分子层一侧的二维磷烯δ-p层，通过计算发现，bv分子放置于二维磷烯γ-p层的吸附能和转移电荷量都要高于放置于二维磷烯δ-p层一侧，而f4tcnq分子放置于二维磷烯δ-p层的吸附能和转移电荷量都要高于放置于二维磷烯γ-p层一侧；谐振器工作时，带动f4tcnq分子和bv分子在电极和异质结基底之间震动，产生电荷转移并形成电流回路。
7.具体的，谐振器带动f4tcnq分子和bv分子在电极和异质结基底之间震动，磷烯二维材料异质结基底吸附f4tcnq分子和bv分子，形成电子和空穴，当强电子受体装置接触到正电极时，正电荷就会自动在正电极上积累，正电极收集正电荷，当强电子供给装置接触到负电极时，负电荷就会自动在负电极上积累，负电极收集负电荷，此时正电极，负电极和磷烯二维材料异质结基底在外加电路的作用下形成电流回路，为连接在正极和负极之间的半导体发光组件输送发光所需电能。
8.现阶段通过实验和计算模拟共得到6种磷烯二维材料异质结结构：β-p/α-p异质结、α-p/γ-p异质结、β-p/γ-p异质结、β-p/δ-p异质结、δ-p/γ-p异质结和δ-p/β-p异质结。由于δ-p/γ-p异质结有稳定的结构性能并且是一种直接带隙的半导体材料，具有大的发电
效率，成为这六类材料的首选。
9.进一步的，f4tcnq分子是强电子受体，从磷烯二维材料异质结基底中得到电子的能力很强，是典型的n型分子；bv分子是强电子施体，传输给磷烯二维材料异质结基底电子的能力很强，是典型的p型分子。经过计算发现，在δ-p/γ-p异质结基底的基础上，协同f4tcnq和bv分子组合做为半导体发光组件的发电设备是最高效的优选方案。
10.进一步的，强电子受体装置包括具有电子传输能力的二维基底材料，f4tcnq分子层形成在二维基底材料表面；强电子供给装置包括具有电子传输能力的二维基底材料，bv分子层形成在二维基底材料表面；二维基底材料可以为石墨烯等材料。
11.上述用于半导体发光组件的异质结发电设备的计算机构建方法，包括如下步骤：
12.(1)构建二维磷烯γ-p和δ-p单胞结构并优化，对优化后的γ-p单胞结构采用4*5进行超胞构建，δ-p单胞结构采用4*3进行超胞构建，分别得到单层稳定的γ-p和δ-p二维材料；
13.具体优化方法为：γ-p晶格常数扶手椅边为锯齿形边为δ-p晶格常数扶手椅边为锯齿形边为分别设置的真空层并采用pbe vdw泛函进行结构优化，其中能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，力的收敛精度设置为采用11*11*1的k点网格。
14.(2)构建磷烯二维材料异质结基底：对单层稳定的γ-p和δ-p二维材料扶手椅边和锯齿形边施加应变处理，再将γ-p纵向堆叠到δ-p上进行结构优化，得到稳定的磷烯二维材料异质结基底；
15.具体应变处理方法为：对γ-p扶手椅边应变变量处理为压缩0.88％，锯齿形边应变变量处理为拉伸0.55％；对δ-p扶手椅边应变变量处理为拉伸0.85％，锯齿形边应变变量处理为压缩0.57％，使得两种二维材料扶手椅边都为和锯齿形边为
16.(3)构建结构稳定的f4tcnq分子和bv分子；
17.具体构建方法为：在ms(materials studio)软件中构建出f4tcnq和bv分子的结构，并采用pbe vdw的泛函进行结构优化，能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，力的收敛精度设置为采用9*9*1的k点网格，从而获得准确度更高的结构稳定的f4tcnq和bv分子；
18.(4)将步骤(3)构建好的f4tcnq和bv分子放在步骤(2)构建的δ-p/γ-p异质结材料的顶位、桥位和空位，分别计算吸附体系的吸附能，最终确定吸附体系的最稳定吸附位置和吸附能大小。
19.具体的，吸附能计算方法为采用pbe vdw泛函，能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，力的收敛精度设置为采用3*3*1的k点网格。
20.(5)分别计算f4tcnq在磷烯二维材料异质结基底δ-p层一侧的最稳定吸附位置和bv在磷烯二维材料异质结基底γ-p层一侧的最稳定吸附位置的bader电荷转移量和能带结构，画出输出电压和输出电流与分子对数量关系的匹配图，确定所需分子数。与现有技术相比，本发明取得了如下有益效果：由于f4tcnq分子从磷稀二维材料异质结基底中得到电子的能力很强，使基底形成空穴；bv分子传输给磷稀二维材料异质结基底电子的能力很强，会
将电子注入基底材料中，而本发明设计的基底材料是具有直接带隙的异质结材料，电子与空穴在基底材料中只要一相遇就会发生复合，不需要声子来接受或提供动量，使得异质结基底材料具有更高的载流子迁移率，能够减少功耗。
21.本发明具有高效可调控低能耗的用于发电设备，它包含f4tcnq分子和bv分子吸附于基底上能产生较大的吸附能，而选用的δ-p/γ-p磷烯二维材料异质结基底与其它磷稀构成的异质结材料相比，具有直接带隙特性和较高的稳定结构。分子与基底间为弱的物理吸附，在谐振器运行过程中，分子反复震动并不会对基底和分子造成损害，具有极其稳定可操作性的特点。同时f4tcnq分子作为强电子受体，能从δ-p/γ-p磷烯二维材料异质结基底得到0.76|e|，bv分子为强电子施体，能向δ-p/γ-p磷烯二维材料异质结基底传输0.64|e|，电荷转移量的利用率高达84.21％，高于之前研究黑磷的效率80.33％，同时本发明的δ-p/γ-p磷烯二维材料异质结基底比之前γ-p二维材料基底的电子和空穴的复合率要大，迁移率也大大增加，提升了用于半导体发光组件的异质结发电设备的发电效率和导电能力，符合高效的倡导理念；与此同时，有机分子的数量直接决定吸附能的大小，从而决定转化电能的大小，因此通过控制有机分子数量可以有效调控发电设备输出功率；更重要的是本发明所选用的有机吸附分子可以被反复使用，符合绿色环保低耗的倡导理念。
附图说明
22.图1是本发明的有高效，可调控，低能耗的led发电设备原理图；
23.图2是本发明的led发电设备的f4tcnq分子在异质结δ-p/γ-p的吸附侧视图；
24.图3是本发明的led发电设备的bv分子在异质结δ-p/γ-p的吸附侧视图；
25.图4是本发明的led发电设备的f4tcnq分子在异质结δ-p/γ-p上的bader电荷转移图；
26.图5是本发明的led发电设备的bv分子在异质结δ-p/γ-p上的bader电荷转移图；
27.图6是本发明的led发电设备基底材料δ-p/γ-p异质结的能带结构图；
28.图7是本发明的led发电设备的输出功率与分子对个数的关系图。
29.1.强电子供给装置，2.磷烯二维材料异质结基底，3.强电子受体装置。
具体实施方式
30.本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.本发明下面结合实施例作进一步详述：
32.见图1至图6，图1中外加电路上的箭头表示电流方向，本实施例提供的用于半导体发光组件(以led灯具为例)的异质结发电设备，包括：通过外加电路依次连接的正极、磷烯二维材料异质结基底(也称δ-p/γ-p异质结材料)和负极，设置在正极和磷烯二维材料异质结基底之间的强电子受体装置，设置在负极和磷烯二维材料异质结基底之间的强电子供给装置，与强电子受体装置和强电子供给装置连接的谐振器，以及用于控制谐振器震动的控制装置。
33.强电子供给装置包括bv分子(苄基紫精)层，强电子受体装置包括f4tcnq分子(2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌)层，磷烯二维材料异质结基底包括靠近bv分子层一侧的二维磷烯γ-p层和形成在二维磷烯γ-p层表面且靠近f4tcnq分子层一侧的二维磷烯δ-p层，通过计算发现，bv分子放置于二维磷烯γ-p层的吸附能和转移电荷量都要高于放置于二维磷烯δ-p层一侧，而f4tcnq分子放置于二维磷烯δ-p层的吸附能和转移电荷量都要高于放置于二维磷烯γ-p层一侧；谐振器工作时，带动f4tcnq分子和bv分子在电极和异质结基底之间震动，产生电荷转移并形成电流回路。
34.具体的，基底材料优选δ-p/γ-p异质结材料。现阶段通过实验和计算模拟共得到6种磷烯二维材料异质结结构：β-p/α-p异质结、α-p/γ-p异质结、β-p/γ-p异质结、β-p/δ-p异质结、δ-p/γ-p异质结和δ-p/β-p异质结。由于δ-p/γ-p异质结有稳定的结构性能并且是一种直接带隙的半导体材料，具有大的发电效率，成为这六类材料的首选。
35.具体的，f4tcnq分子是强电子受体，从基底中得到电子的能力很强，是典型的n型分子；bv分子是强电子施体，传输给基底电子的能力很强，是典型的p型分子。经过计算发现，在δ-p/γ-p异质结基底的基础上，将f4tcnq和bv分子组合做为led发电设备是最高效的优选方案。
36.谐振器带动f4tcnq分子和bv分子在电极和异质结基底之间震动，磷烯二维材料异质结基底吸附f4tcnq分子和bv分子，形成电子和空穴，当强电子受体装置接触到正电极时，正电荷就会自动在正电极上积累，正电极收集正电荷，当强电子供给装置接触到负电极时，负电荷就会自动在负电极上积累，负电极收集负电荷，此时正电极，负电极和磷烯二维材料异质结基底在外加电路的作用下形成电流回路，为连接在正极和负极之间的led输送发光所需电能。为了进一步的证明本技术的技术优势，通过计算机构建了用于led灯具的异质结发电设备的方法，但这并不表示本技术的用于led灯具的异质结发电设备无法制造获得，例如δ-p/γ-p异质结基底可通过本领域中的常用的界面合金、外延生长、真空淀积等技术获得，而真空淀积的方式则可以制造干净无杂质的表面。f4tcnq分子和bv分子则可以直接采购得到(f4tcnq有机分子可由吉林奥来德光电材料股份有限公司购买所得，cas:29261-33-4；bv有机分子可由湖北诺纳科技有限公司购买所得，cas:13096-46-3)。包括如下步骤：
37.(1)构建二维磷烯γ-p和δ-p单胞结构。γ-p晶格常数扶手椅边为锯齿形边为δ-p晶格常数扶手椅边为锯齿形边为分别设置的真空层并采用pbe vdw泛函进行结构优化，其中能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，力的收敛精度设置为采用11*11*1的k点网格。对优化后的γ-p单胞结构采用4*5进行超胞构建，δ-p单胞结构采用4*3进行超胞构建，分别得到单层稳定的γ-p和δ-p二维材料；
38.(2)构建δ-p/γ-p异质结材料。对超胞γ-p和δ-p二维材料扶手椅边和锯齿形边施加应变处理。对γ-p扶手椅边应变变量处理为压缩0.88％，锯齿形边应变变量处理为拉伸0.55％；对δ-p扶手椅边应变变量处理为拉伸0.85％，锯齿形边应变变量处理为压缩0.57％。使得两种二维材料扶手椅边都为和锯齿形边为再将γ-p纵向堆叠到δ-p上进行结构优化，得到稳定的δ-p/γ-p异质结材料；
39.(3)构建f4tcnq分子和bv分子。在ms(materials studio)软件中构建出f4tcnq和bv分子的结构，并采用pbe vdw的泛函进行结构优化，能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，
力的收敛精度设置为采用9*9*1的k点网格，从而获得准确度更高的f4tcnq和bv分子；
40.(4)再将优化好的f4tcnq和bv分子相应放在优化好的δ-p/γ-p异质结材料的δ-p层一侧和γ-p层一侧的顶位、桥位和空位，依旧采用pbe vdw泛函，能量收敛精度设置为1*10-3
mev/atom，力的收敛精度设置为采用3*3*1的k点网格，分别计算吸附体系的吸附能，最终确定吸附体系的最稳定吸附位置和吸附能大小。(实际制备中当分子靠近基底表面时，会基于能量越低越稳定的原理而自动的吸附在相应位置)。
41.(4)分别计算f4tcnq在δ-p/γ-p异质结δ-p层一侧的最稳定吸附位置和bv在δ-p/γ-p异质结γ-p层一侧的最稳定吸附位置的bader电荷转移量和能带结构，画出输出电压和输出电流与分子对数量关系的匹配图(见图7)。
42.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。