基于Graphene条带的新型纳米结构：分子动力学研究

论文摘要

Graphene是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子,是理想的二维量子体系,已成为当今凝聚态物理学和材料科学中最热门的研究课题之一。Graphene条带作为一种新颖的碳基纳米材料引起了人们的极大关注。本文采用分子动力学模拟方法,研究了锯齿型graphene条带和扶手椅型graphene条带的热稳定性,分析了graphene条带与半导体Si原子、金属Au原子复合体系的结构及其热稳定性,发现了一些新颖的复合纳米体系。研究了锯齿型graphene条带和扶手椅型graphene条带的热稳定性。研究表明,锯齿型graphene条带的熔化温度为5000K左右,扶手椅型graphene条带的熔化温度为4500K左右。高温下锯齿型graphene条带比扶手椅型graphene条带更稳定。锯齿型graphene条带和扶手椅型graphene条带的熔化都是从条带边沿开始的。研究了graphene条带与半导体Si原子复合体系的结构及其热稳定性。研究发现,半导体Si原子与graphene条带相互作用,Si原子会吸附到graphene条带的边缘,形成新颖的单原子链或纳米颗粒。Si原子吸附到锯齿型graphene条带边沿,在300K至2000K之间形成无规则的Si团簇;在2000K至2800K之间,当Si原子等于带边不饱和的碳原子数时,带边形成较为完整的Si单原子链结构;在2800K至3900K之间形成含缺陷的硅链结构;当温度高于3900K时Si原子逐渐替代条带边沿的碳原子直至锯齿型graphene条带破坏。而Si原子吸附到扶手椅型graphene条带边沿,在300K至3000K之间形成非链状的不定型的Si纳米结构。研究了锯齿型graphene条带与金属Au原子复合体系的结构及其热稳定性。研究发现,室温下Au原子吸附聚集到锯齿型graphene条带的表面,生成多种新颖的纳米复合体系。当Au原子在锯齿型Graphene条带表面的覆盖密度低于13.72时,形成Au纳米颗粒;当Au原子覆盖密度在13.72至69.91之间时,生成稳定的Au纳米层结构;当Au原子覆盖密度大于69.91时,形成类面心立方的Au纳米结构。计算不同温度下Au586结构的Lindemann指数,发现Au586纳米结构吸附在锯齿型graphene条带表面时的熔化温度比其单独存在时的高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 碳家族发展史
• 1.2 Graphene
• 1.2.1 Graphene 的实验制备
• 1.2.2 Graphene 的晶格结构
• 1.2.3 Graphene 的性质与应用
• 1.3 Graphene 条带
• 1.3.1 Graphene 条带的研究现状
• 1.3.2 Graphene 条带的应用前景
• 1.4 纳米体系
• 1.4.1 纳米颗粒
• 1.4.2 Lindemann 判据
• 1.5 扩散
• 1.6 研究生长过程的理论方法
• 1.7 本文的研究目的和内容
• 第2章 分子动力学方法
• 2.1 分子动力学方法简介
• 2.2 分子动力学模拟的主要技术
• 2.2.1 势函数
• 2.2.2 有限差分算法
• 2.2.3 系综
• 2.2.4 周期性边界条件
• 2.3 分子动力学模拟的步骤
• 2.4 分子动力学的发展方向
• 第3章 基于graphene 条带的硅纳米结构
• 3.1 引言
• 3.2 势函数和模拟参数
• 3.3 ZGNR 和 AGNR 的热稳定性
• 3.3.1 ZGNR 的热稳定性
• 3.3.2 AGNR 的热稳定性
• 3.3.3 小结
• 3.4 单个硅原子在 GNRs 各类位置的结合能
• n 体系的模拟'>3.5 ZGNR-Si_n体系的模拟
• 80 体系不同温度下的模拟'>3.5.1 ZGNR-Si₈₀体系不同温度下的模拟
• n（n=160，240，320，400）体系不同温度下的模拟'>3.5.2 ZGNR-Si_n（n=160，240，320，400）体系不同温度下的模拟
• m 体系的模拟'>3.6 AGNR-Si_m体系的模拟
• 84 体系不同温度下的模拟'>3.6.1 AGNR-Si₈₄体系不同温度下的模拟
• m（m=168，252，336）体系不同温度下的模拟'>3.6.2 AGNR-Si_m（m=168，252，336）体系不同温度下的模拟
• 3.7 模拟结果分析
• 3.7.1 硅原子吸附在 GNRs 表面
• 3.7.2 硅原子吸附在 GNRs 边缘
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于锯齿型graphene 条带的金纳米结构
• 4.1 引言
• 4.2 势模型与模拟参数
• 4.3 覆盖 ZGNR 表面新颖的 Au 纳米结构
• 4.4 吸附在ZGNR 表面Au 纳米层的热稳定性
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文