石墨烯粘附力學(xué)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(xué)、生物等各學(xué)科領(lǐng)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(shù)產(chǎn)品中都極具應(yīng)用潛力。而石墨烯的粘附力學(xué)性能，對(duì)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(yùn)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(xué)性能的研究顯得至關(guān)重要。本文基于Lennard-Jones勢(shì)，通過(guò)建立原子/離子與石墨烯相互作用的理論模型，對(duì)不同離子/

2、原子在石墨烯表面吸附和遷移的力學(xué)性能進(jìn)行了研究和分析。同時(shí)，基于理論模型，利用數(shù)值分析的方法，通過(guò)探討和分析探針在石墨烯表面掃描的動(dòng)態(tài)過(guò)程，進(jìn)一步揭示了石墨烯的粘附力學(xué)性能。
　　首先，本文通過(guò)分析無(wú)限大單層石墨烯的原子結(jié)構(gòu)，對(duì)原子/離子與石墨烯的相互作用勢(shì)進(jìn)行傅立葉展開，得到相互作用勢(shì)的近似表達(dá)式。進(jìn)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(gè)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(kuò)散勢(shì)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(shí)，鋰離子與石墨烯的相互作用勢(shì)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(shí)，表現(xiàn)出對(duì)尺寸明顯的依賴性和顯著的邊緣效應(yīng)。并且，通過(guò)分析鋰離子沿不同方向遷移

4、時(shí)的能量勢(shì)壘，發(fā)現(xiàn)鋰離子只能在石墨烯的表面進(jìn)行擴(kuò)散，而不會(huì)穿過(guò)石墨烯碳環(huán)擴(kuò)散到另一側(cè)。同時(shí)，本文還研究了鋰離子在單個(gè)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(shì)壘。并且，如果缺陷足夠大，鋰離子很容易穿過(guò)缺陷到達(dá)石墨烯另一側(cè)。
　　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(dòng)態(tài)相互作用。除了能夠得到與單個(gè)原子/離子在石墨烯表面吸附和遷移相類似的結(jié)論以外，本文還基于探針在石墨