石墨烯粘附力學性能的原子尺度理論研究.pdf

1、石墨烯作為新型碳納米材料，因其在物理、化學、生物等各學科領域優(yōu)越的性能，在高靈敏度傳感器、藥物傳輸系統(tǒng)、可再充鋰離子電池等諸多高科技技術產品中都極具應用潛力。而石墨烯的粘附力學性能，對基于石墨烯而研制的高靈敏度傳感器的整體性能，藥物傳輸系統(tǒng)的傳輸、運載效率以及鋰離子電池的充放電性能等方面具有重要影響，使得石墨烯粘附力學性能的研究顯得至關重要。本文基于Lennard-Jones勢，通過建立原子/離子與石墨烯相互作用的理論模型，對不同離子/

2、原子在石墨烯表面吸附和遷移的力學性能進行了研究和分析。同時，基于理論模型，利用數(shù)值分析的方法，通過探討和分析探針在石墨烯表面掃描的動態(tài)過程，進一步揭示了石墨烯的粘附力學性能。
　　首先，本文通過分析無限大單層石墨烯的原子結構，對原子/離子與石墨烯的相互作用勢進行傅立葉展開，得到相互作用勢的近似表達式。進而選取了幾種典型的金屬原子和離子，研究了它們沿石墨烯表面法向和切向的遷移。得到了各原子/離子在幾個特殊位置的平衡高度、吸附能等物理

3、量，并討論了在不同平衡位置的穩(wěn)定性，以及各平衡位置間擴散勢壘的差異。以鋰離子為例，研究了沿石墨烯表面平行于x軸和y軸，以及沿與x軸呈不同夾角方向的不同路徑遷移時，鋰離子與石墨烯的相互作用勢以及鋰離子所受的切向力。
　　此外，本文還研究了鋰離子在有限尺寸的石墨烯，以及含缺陷的石墨烯的表面和層間的吸附和遷移。研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子在不同尺寸的石墨烯表面吸附和遷移時，表現(xiàn)出對尺寸明顯的依賴性和顯著的邊緣效應。并且，通過分析鋰離子沿不同方向遷移

4、時的能量勢壘，發(fā)現(xiàn)鋰離子只能在石墨烯的表面進行擴散，而不會穿過石墨烯碳環(huán)擴散到另一側。同時，本文還研究了鋰離子在單個碳原子缺陷和碳環(huán)缺陷兩種石墨烯表面的遷移。發(fā)現(xiàn)，缺陷能夠提高能量勢壘。并且，如果缺陷足夠大，鋰離子很容易穿過缺陷到達石墨烯另一側。
　　最后，基于離子/原子與石墨烯相互作用的理論模型，拓展到研究顯微鏡探針與石墨烯的靜動態(tài)相互作用。除了能夠得到與單個原子/離子在石墨烯表面吸附和遷移相類似的結論以外，本文還基于探針在石墨