石墨烯、硅烯和鍺烯薄膜力學(xué)性質(zhì)的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、自2010年石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得Nobel物理學(xué)獎以來，二維材料發(fā)展十分迅速。由于和晶體硅基質(zhì)有較好的相容性，石墨烯、硅烯和鍺烯在晶體管領(lǐng)域應(yīng)用的前景引起人們極大的關(guān)注。而電子器件的制造離不開對材料的力學(xué)性質(zhì)的認識，因此對石墨烯、硅烯和鍺烯力學(xué)性質(zhì)的深入了解具有重要的應(yīng)用價值。同時，對石墨烯、硅烯和鍺烯力學(xué)性質(zhì)的進一步研究可以加深對這些材料的理論認識，研究涉及原子勢函數(shù)、分子動力學(xué)、晶體學(xué)和數(shù)值計算等諸多方面的問題，所以這方面的工作又具有相

2、當?shù)膶W(xué)術(shù)價值。本文利用分子動力學(xué)模擬方法，進行了系統(tǒng)的工作，開展了手性石墨烯的拉伸力學(xué)性質(zhì)、多層石墨烯的剪切性質(zhì)和硅摻雜石墨烯的拉伸力學(xué)性質(zhì)的研究;開展了翹曲硅烯剪切力學(xué)性質(zhì)和尺寸及溫度影響因素的研究，以及平面硅烯拉伸和剪切力學(xué)性質(zhì)研究;開展了鍺烯剪切力學(xué)性質(zhì)和尺寸及溫度影響因素的研究;此外，首次開展了Ⅳ型菌毛力學(xué)性能的拉伸分子動力學(xué)研究。本文的研究成果和創(chuàng)新點主要包括:
　　采用Tersoff勢對手性石墨烯的拉伸力學(xué)性質(zhì)、多層石

3、墨烯的剪切性質(zhì)和硅摻雜石墨烯的拉伸力學(xué)性質(zhì)進行了分子動力學(xué)模擬。研究了手性取向?qū)κ┍∧だ炝W(xué)性質(zhì)的影響，得到了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及拉伸破壞形態(tài)，不同的手性取向?qū)κ┍∧さ臈钍夏Ａ坑绊懖幻黠@，得到了石墨烯薄膜的楊氏模量等力學(xué)性質(zhì)隨手性角度的變化關(guān)系;研究了不同層數(shù)對鋸齒型和扶手椅型石墨烯薄膜剪切力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系以及剪切破壞形態(tài)。隨層數(shù)的增加，鋸齒型和扶手椅型石墨烯薄膜的剪切模量變化趨勢不明顯，但鋸

4、齒型和扶手椅型石墨烯薄膜的剪切強度和極限剪切應(yīng)變均呈下降趨勢;研究了不同硅摻雜比對扶手椅型和鋸齒型石墨烯薄膜拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及拉伸破壞形態(tài)，并對其力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進行了最小二乘法擬合，硅原子的替換摻雜對石墨烯薄膜楊氏模量的影響明顯，其極限拉伸應(yīng)變和拉伸強度隨著硅原子摻雜比的增大而顯著減小。本文對手性石墨烯薄膜的拉伸力學(xué)性質(zhì)進行了首次研究，得到了楊氏模量等力學(xué)性質(zhì)隨與手性角度的變化關(guān)系;首次對多層石墨烯薄膜剪切

5、破壞過程進行深入研究;首次得到了硅摻雜石墨烯薄膜的拉伸力學(xué)性質(zhì)，獲得了楊氏模量等力學(xué)性質(zhì)與硅摻雜比的關(guān)系。
　　采用SW勢對翹曲硅烯薄膜剪切破壞過程進行分子動力學(xué)模擬。除扶手椅型翹曲硅烯薄膜的彈性模量外，尺寸對鋸齒型翹曲硅烯薄膜的彈性模量、兩類型的剪切強度和極限剪切應(yīng)變影響明顯;隨著溫度的增加，扶手椅型和鋸齒型翹曲硅烯薄膜的剪切模量變化趨勢相同，先增加后減小，前者的剪切強度和極限剪切應(yīng)變均呈明顯下降的趨勢，而后者的下降較平緩;在剪

6、切荷載的作用下，翹曲硅烯薄膜的破壞主要在靠近邊緣部位形成并沿近似水平方向延伸，不斷形成新的破壞，期間會形成硅的立體結(jié)構(gòu)。本文首次得到了翹曲硅烯薄膜的剪切模量等力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系和剪切破壞形態(tài)。
　　同時，采用Tersoff勢對平面硅烯薄膜的拉伸和剪切力學(xué)性質(zhì)進行了分子動力學(xué)模擬。隨著溫度的增加，鋸齒型和扶手椅型平面硅烯薄膜的剪切模量、剪切強度和極限剪切應(yīng)變均呈明顯下降的趨勢;尺寸大小對扶手椅型和鋸齒型平面硅烯薄膜的彈性模

7、量、拉伸強度和極限拉伸應(yīng)變影響不大;在剪切荷載的作用下，兩者的破壞主要在靠近邊緣部位形成并沿剪切水平方向延伸，直至破壞斷裂。
　　采用Tersoff勢對鍺烯薄膜的剪切力學(xué)性質(zhì)進行了分子動力學(xué)模擬。尺寸大小對扶手椅型和鋸齒型鍺烯薄膜的彈性模量、剪切強度和極限剪切應(yīng)變影響明顯;隨著溫度的增加，扶手椅型和鋸齒型鍺烯薄膜的剪切模量先增大后減小，前者的剪切強度和極限剪切應(yīng)變均呈明顯下降的趨勢，而后者的下降較平緩;在剪切荷載的作用下，鍺烯薄膜