石墨烯中位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)與滑移.pdf

1、理想的石墨烯擁有非常完美的各項(xiàng)性質(zhì)，然而無(wú)論什么方法制備出來的石墨烯材料中不可避免的存在缺陷，特別是拓?fù)淙毕?。石墨烯晶格有一個(gè)特殊的性質(zhì)，在于它擁有通過組成非六邊形環(huán)的方式重新構(gòu)建結(jié)構(gòu)。而這些缺陷對(duì)材料的影響是巨大且不可忽略的，因而研究石墨烯中的拓?fù)淙毕菔乾F(xiàn)如今石墨烯研究中的一項(xiàng)大熱門。
　　為了更好的了解位錯(cuò)對(duì)于材料的影響，特別是位錯(cuò)的電子或者磁性性質(zhì)，位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)通常是研究者首先關(guān)注的問題，只有知道他們到底長(zhǎng)什么樣子，才能更好的

2、了解他們是如何作用在材料中的。我們發(fā)展了一套基于P-N模型的位錯(cuò)晶格理論，在這套理論的基礎(chǔ)上，可以展現(xiàn)位錯(cuò)的性質(zhì)，也可以預(yù)測(cè)材料中可能存在的位錯(cuò)。位錯(cuò)晶格理論沿用的位錯(cuò)模型來自著名的P-N理論，在此基礎(chǔ)上加上了來自于滑移面附近的半無(wú)限晶體表面之間的距離修正，修正了垂直博格斯矢量方向的形變，引入γ-勢(shì)，進(jìn)行了全離散的修正，再一個(gè)對(duì)于原有理論的修正是關(guān)于成鍵斷鍵的非線性相互作用修正。晶格位錯(cuò)理論就是在原有的P-N模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過上面所說的

3、各項(xiàng)修正，形成的可以精確求解位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的一種理論模型，在本文中，位錯(cuò)晶格理論被嚴(yán)格的應(yīng)用在石墨烯材料中，可以嚴(yán)格的得到石墨烯中存在最多的位錯(cuò)偶極子對(duì)缺陷-SW缺陷，以及單個(gè)p-h對(duì)缺陷的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，特別是位錯(cuò)芯附近結(jié)構(gòu)，以及位錯(cuò)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，位移場(chǎng)，并且可以拿來與第一性原理計(jì)算模擬的結(jié)構(gòu)相比較，誤差在0.1?附近，這是其他理論不能得到的精度。
　　石墨烯材料有了位錯(cuò)之后，材料中出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，正的膨脹表示拉伸，而負(fù)值的膨脹表示

4、的是在這塊區(qū)域材料發(fā)生了擠壓。由于擠壓集中，而石墨烯是典型的二維材料，在第三維并沒有限制，因而在有內(nèi)部擠壓的時(shí)候，材料也許會(huì)發(fā)生向第三維皺起的現(xiàn)象，關(guān)于皺起的性質(zhì)和形式，現(xiàn)在科研界爭(zhēng)論很多，我們根據(jù)前面得到的應(yīng)力場(chǎng)分布和彈性理論的基礎(chǔ)以及模擬的方法討論了石墨烯中位錯(cuò)的皺起。發(fā)現(xiàn)，石墨烯中單個(gè)5-7邊形缺陷的皺起最高點(diǎn)在遠(yuǎn)離七邊形的五邊形頂角。位錯(cuò)的不同結(jié)構(gòu)會(huì)影響位錯(cuò)的皺起性質(zhì)，存在一個(gè)臨界應(yīng)力σc=1.36μ，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力小于臨界應(yīng)力時(shí)位錯(cuò)

5、不會(huì)發(fā)生皺起。同樣通過近似解，可以描繪出位錯(cuò)皺起寬度為η=1.83a。內(nèi)應(yīng)力，以及拉伸和壓縮區(qū)域的距離是影響位錯(cuò)皺起的最重要因素。
　　在知道了位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)之后，另一個(gè)重要的問題出現(xiàn)了，位錯(cuò)移動(dòng)的時(shí)候他會(huì)是什么樣子的？然而，在現(xiàn)今的技術(shù)手段限制下，觀測(cè)到原子尺度下的位錯(cuò)在塊體材料中的移動(dòng)仍然是不能實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)诶碚摶A(chǔ)上研究了石墨烯中位錯(cuò)移動(dòng)的中間態(tài)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似的是，石墨烯中位錯(cuò)是首先被比如電子照射激發(fā)到能量的高能級(jí)結(jié)構(gòu)，然后能

6、量自由降落到新的能量谷，我們第一次計(jì)算了位錯(cuò)的激發(fā)態(tài)，這個(gè)激發(fā)態(tài)位于位錯(cuò)能量的鞍點(diǎn)。這個(gè)特殊的激發(fā)態(tài)是位錯(cuò)的一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)從這個(gè)能量的鞍點(diǎn)按照動(dòng)力學(xué)法則自由降落到能量的基態(tài)。當(dāng)位錯(cuò)從這個(gè)激發(fā)態(tài)移動(dòng)到基態(tài)，它移動(dòng)了半個(gè)博格斯矢量的距離，在本文中，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演化細(xì)節(jié)和能量改變都是通過第一性原理模擬得出的。通過中間態(tài)我們還得知了SW缺陷產(chǎn)生和湮滅的具體過程和能量變化。實(shí)際上，位錯(cuò)的移動(dòng)中，存在一個(gè)擁有一個(gè)平臺(tái)，以及非常迅速的降落的趨勢(shì)，