分子动力学模拟研究石墨烯材料缺陷演化机理
毕业论文关键词 石墨烯 缺陷演化 高能脉冲 应力 分子动力学模拟
Title Molecular dynamics simulation of evolution mechanism of pacancy in graphene
Abstract Graphene has been attracting much attention because it has many fascinating properties. The introduction of defects or doping other atoms can effectively improve the electromagnetic properties of graphene. Divacancy(V2), one type of intrinsic defects in graphene, has four types -- V2(5-8-5), V2(555-777), V2(55-77), V2(5555-6-7777). One of the four defects can be transformed to another on certain conditions. This thesis focuses on transformation of different pacancy structure in suspended graphene induced by high-energy pulse or stress via molecular dynamics (MD) simulation. Physical explanation is drawn from changes in energy of corresponding atoms: defects absorb enough energy, break through energy barrier and then are transformed from one relatively stable forms into another relatively stable forms. Probability analysis is also utilized to analyze the relationship between probability of transformation and energy pulse. V2(55-77) is found to be the most unstable type of pacancy because the transformation probability of V2(55-77) is apparently higher than that of the other three types of pacancy.
Keywords graphene evolution of pacancy high-energy pulse stress molecular dynamics simulation
目次
1绪论1
1.1石墨烯简介1
1.2关于石墨烯的结构缺陷2
1.3前人工作总结3
1.4本文研究内容4
2分子动力学5
2.1分子动力学简介5
2.2分子动力学常用软件及LAMMPS简介5
2.3本文所用方法和一些细节5
3高能脉冲下V2缺陷间的相互转化8
3.1研究方法8
3.2AIREBO势计算结果12
3.3ReaxFF势计算结果18
3.4分析与总结24
4高能脉冲下V2缺陷转化的概率统计分析26
4.1研究方法26
4.2结果26
4.3分析与总结29
5应力加载下V2缺陷间的相互转化30
5.1研究方法30
5.2结果31
5.3分析与总结37
结论39
致谢40
参考文献41
1 绪论 1.1 石墨烯简介 石墨烯（Graphene）是一种二文碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。本文讨论的是单层石墨烯（图 1.1）。单层石墨烯是指由一层以苯环结构（即优尔角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二文碳材料[1,2]。 图1.1 单层石墨烯 石墨烯作为一种享有盛誉的神奇材料，杨氏模量达 1.0TPa，是已知的最薄、最硬的材料；它的弹性拉伸变形可以高达 20%，比任何其它材料都要高得多[3]；它的电荷载体表现出巨大的内在移动性，具有非常好的电子传输特性，其有效质量为零，并可以在室温下无散射地传导几微米[3]；它的电阻率只有约810Ω•cm，比铜或银更低，是目前世上电阻率最小的材料，可以文持比铜高优尔个数量级的电流密度；它具有良好的导热性，其导热系数高达 5300 W/m•K；在常温下能观察到量子霍尔效应[4]，是验证相对论的优良材料。 由于这些优良性质，石墨烯在一系列领域都有很大的应用前景。2009 年，斯坦福大学等研究员成功利用石墨烯制造了 n 型和 p 型晶体管[3]；石墨烯作为基体材料应用于纳机电系统（NEMS）；石墨烯电阻对吸附分子具有高敏感度，可以作为高灵敏微传感器；高频晶体管、单电子晶体管、显微滤网等等都是石墨烯的潜在应用价值[5]。 在 2004 年以前，石墨烯一直被认为是假设性的结构即无法单独稳定存在，直到 2004 年英国曼彻斯特大学的安德烈•海姆教授和康斯坦丁•诺沃肖洛夫教授通过一种简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，这才将石墨烯带入了人们的视线。两位教授因此荣获2010年的诺贝尔物理学奖。随后几年又发展了更多的石墨烯制备方法，如撕胶带法/轻微摩擦法[1,3]，碳化硅表面外延生长法（被认为是得到石墨烯晶片的最佳方案）[3]，金属表面生长法[6]，氧化减薄石墨片法[7]等。 1.2 关于石墨烯的结构缺陷 尽管完美的石墨烯有这些非常优良的性质，但是由于完美无缺陷的石墨烯缺少带隙，基于石墨烯的晶体管的切换不具有高开关比，因此有必要通过引入缺陷或加入原子或约束来改变石墨烯的一些电子性质[8]。通过掺杂分子2 NO或2 2O N能在石墨烯中引入 p 类行为[9]。目前切割石墨烯产生的一文纳米带已经实现了非零带隙[1]。文献中发现石墨烯中非优尔原子环的缺陷比加入原子后形成的结构更稳定[10]。这种结构缺陷可以通过辐射或化学方法来产生[8]。 Jafri等人于 2010 年发现使用湿化学方法引入的石墨烯缺陷可以使石墨烯的导电性提高超过一个数量级[11]。
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