石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.     

基于分子动力学模拟的石墨烯镁基复合材料力学行为

镁合金因其低密度被视为最轻的工程结构金属材料,但因较差的塑性变形行为限制了其广泛应用,因此增强镁合金的综合力学性能已经成为当前材料领域的研究热点.本文采用分子动力学模拟方法,研究了在拉伸载荷下石墨烯对金属镁变形行为和力学性能的影响.研究结果表明,石墨烯的嵌入能够明显提升金属镁的强度和杨氏模量,并对其塑性变形阶段的第二次应变强化产生较大影响.研究指出,石墨烯镁基(GR/Mg)复合材料和纯镁的塑性变形行为相同,在塑性变形过程中均发生了从密排六方到体心立方再到密排六方结构的相变.石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料上下两部分镁基体的塑性变形行为有较大的影响.当石墨烯嵌入高度较小时,石墨烯下方的镁基体塑性变形能力较强,容易发生位错滑移,而当石墨烯嵌入高度较大时,石墨烯上下方的两部分镁基体的塑性变形能力相当,它们的塑性变形行为趋于同步.此外,本文对镁基体的相变机制也进行了详细分析.本文的研究结果对于设计高性能的石墨烯金属基复合材料具有一定的理论指导意义.     

掺杂石墨烯吸附特性的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了一氧化碳分子在本征和硼、氮、铝、磷掺杂的有限尺寸石墨烯上的吸附机理.结果表明,石墨烯作为一氧化碳传感器时的性能依赖于掺杂元素.本征、硼和氮掺杂石墨烯吸附一氧化碳时的吸附能较低,为物理吸附.铝、磷掺杂石墨烯的吸附能显著提高,比本征、硼和氮掺杂时高出约一个数量级,且铝和磷原子从石墨烯中突出,使其发生局部弯曲.铝掺杂石墨烯增强了石墨烯与一氧化碳分子之间的相互作用,可以提高石墨烯的气敏性和吸附能力,是一氧化碳传感器的最佳候选材料之一.     

石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究

石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景,但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用.研究发现,打开室温下可用的石墨烯带隙所需要的石墨烯纳米结构尺度在10 nm以下,这一尺度的纳米结构一方面制备比较困难,另一方面器件可承载的驱动电流较小.因此,如何实现亚10 nm石墨烯纳米结构的有效加工以及如何在有效调控带隙的基础上增大石墨烯器件可承载的驱动电流,还需要进一步的研究.本文首先研究了利用聚甲基丙烯酸甲酯/铬(PMMA/Cr)双层结构工艺,通过刻蚀时间的控制,利用电子束曝光及刻蚀工艺实现了亚10 nm石墨烯纳米结构的可控制备.同时设计并制备了单排孔石墨烯条带结构,该结构打开的带隙远大于相同特征宽度石墨烯纳米带所能打开带隙的大小.该结构在有效打开石墨烯带隙的同时,增加了石墨烯纳米结构可以承载的驱动电流,有利于石墨烯在未来微电子领域的应用.     

不同波长的激光还原氧化石墨烯的规律

采用可见光波段的488nm、518nm和637nm激光对氧化石墨烯薄膜样品进行光照还原实验,并实时测量还原氧化石墨烯的透过率和电阻率,通过其变化规律表征不同波长的激光对氧化石墨烯还原程度的影响.结果表明:氧化石墨烯的透过率和电阻率在不同波长激光照射下呈现不同的变化规律.采用488nm激光照射时,在激光功率密度很小的条件下,氧化石墨烯即可发生还原反应,还原过程符合光化学还原规律;采用518nm与637nm激光照射时,只有当激光功率密度大于某一阈值时,氧化石墨烯才发生还原反应;激光波长越长,功率阈值越高;还原过程符合光热还原规律.该研究结果可为光还原石墨烯薄膜的图案化工艺改进提供参考和依据.     

涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导的模式特性分析

设计了一种涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导.采用分离变量法,在椭圆柱坐标系中,借助Mathieu函数,得到了色散方程.通过数值求解色散方程,可以得到模式的有效折射率和场分布,从而得到模式的传播长度.研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对模式特性的影响,并给出了前五个模式的品质因数.计算表明,当波长从4.3μm增加到8.8μm,这5个模式的有效折射率的实部减小,基模和一阶模的传播长度增大,二阶模的传播长度先增大后减小.当改变纳米线结构参数半长轴和半短轴时,对基模和一阶模的模式特性影响较小,对二阶模的模式特性影响较大.当石墨烯的费米能从0.45 eV增加到0.72 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度可以达到2μm左右.分离变量法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

氧化石墨烯褶皱行为与结构的分子模拟研究

应用反应力场分子动力学方法,模拟了单层氧化石墨烯在径向压缩作用下的褶皱过程,研究了含氧基团(羟基、环氧基)对氧化石墨烯褶皱行为以及褶皱球结构稳定性的影响.当石墨烯仅含羟基时,该类氧化石墨烯呈现出"推进式"的褶皱行为,而当石墨烯仅含环氧基时,该类氧化石墨烯则呈现出片层与片层"贴合式"的褶皱行为.褶皱行为的不同决定了氧化石墨烯最终褶皱球结构的差异.通过分析原子级势能增量分布与C—C成、断键位置之间的关系,发现氧化石墨烯上C—C成、断键主要发生在变形较为严重的区域,且相较于羟基,环氧基对与其连接的C—C键具有更强的削弱作用.为了研究氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性,模拟了其在无约束条件下的释放过程.发现氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性取决于其中C—C成、断键数量,即C—C成、断键的数量越多,结构越稳定,且在同一氧化率下,褶皱球的结构稳定性随环氧基比例的增大而提高.本研究表明,通过改变氧化石墨烯片层上含氧基团的相对比例,可实现对其褶皱球稳定性的控制.     

单层石墨烯杨氏模量的理论模型

石墨烯力学性能的研究对其在半导体技术中的应用是十分重要的,本文基于半连续体模型并结合石墨烯纳米结构特性,通过对原子的描述构建了石墨烯形变分量和位移分量的新关系,从而给出了单层石墨烯结构形变能,并计算了不同尺寸单层石墨烯的杨氏模量值.通过对不同方向杨氏模量的分析,讨论了单层石墨烯的手性行为.结果表明:随着尺寸的增加,单层石墨烯两个方向的杨氏模量分别趋于0.746 TPa和0.743 TPa,当尺寸相同时,两方向杨氏模量的最大差值不超过0.003 TPa,此结果与文献报道结果相符.在小应变情况下,单层石墨烯薄膜呈各向同性,且薄膜尺寸变化对该特性影响不大.该计算结果对研究石墨烯的其它力学特性提供一定的参考价值.     

石墨烯/羟基磷灰石复合材料力学性能的数值研究

为了研究石墨烯/羟基磷灰石复合材料力学性能（弹性模量和泊松比）,开发了石墨烯/羟基磷灰石复合材料的随机分布模型自动生成算法及相应的计算程序;建立石墨烯/羟基磷灰石复合材料的有限元模型,计算添加不同质量分数的石墨烯对复合材料力学性能的影响,通过与实验数据对比验证算法的有效性.结果表明：添加0.25%~1.25%（质量分数）的石墨烯可使复合材料的弹性模量增加12%~50%,表明添加少量石墨烯即能有效地改善羟基磷灰石的力学性能.     

基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性

本文构建了一种包含石墨烯和亚波长光栅的复合结构, 借助衍射光栅的导模共振效应, 在石墨烯表面激发高局域性表面等离子体激元, 研究了石墨烯与光栅结构对表面等离子体激元局域特性的影响规律, 并借助基于有限元法的COMSOL软件, 分析了缓冲层厚度、光栅周期、载流子迁移率和费米能级对石墨烯的表面电场、品质因子Q和有效模式面积S_eff的影响. 结果表明, 石墨烯表面等离子体激元的局域性在特定的参数点获得显著提高: 当μ = 0.7 m²/(V·s)时, 品质因子达到最大值Q_max = 1793; 当p = 235 nm或E_F = 0.72 eV时, 表面电场达到了入射光的3000倍以上. 强烈的局域性导致强烈 的光-物质相互作用, 因而本文提出的复合结构可实现高灵敏度传感器和高效率的非线性光学设备, 极大地扩展了石墨烯在纳米光学领域中的应用.     

用于生物传感的相位调制的铝膜-石墨烯结构

为了提高铝基等离子体传感器的灵敏度和稳定性,提出了一种基于相位调制增敏的表面等离子体共振传感结构:铝膜-石墨烯复合结构.采用Kretschmann传感结构,将铝膜和多层石墨烯依次沉积在高折射率棱镜上.基于传输矩阵原理,模拟计算激发光波长为632.8 nm时,几何结构参数对传感性能的变化规律.研究结果表明,相比于传统的角度调制模式,该传感结构采用相位调制模式,可以实现2个数量级的灵敏度增强.同时,石墨烯薄层的引入不仅能够有效阻止等离子体铝膜被氧化,而且能够产生近83倍的探测灵敏度增强因子.对于界面折射率变化为1.333～1.334 2 RIU,该复合结构的最大差分相位为94.663o,能够产生超高的相位探测灵敏度7.888 5×104 o/RIU.该传感结构可为开发低成本、超灵敏的铝基等离子体传感器件提供参考.     

氧化石墨烯基功能纸的简易制备和染料吸附性能

染料污染是水体污染的一个重要方面,吸附法因具有效率高,简单易操作等优点,被认为优于其他的染料废水处理技术.本文采用一种简单的方法制备了具有高吸附、易分离特性的氧化石墨烯基功能纸,研究其对水中阳离子染料的吸附,考察了吸附时间、染料初始浓度、吸附剂用量及温度对吸附性能的影响.利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析、热重分析、紫外可见吸收光谱仪等测试方法,对氧化石墨烯基功能纸的结构、形貌和吸附性能进行表征分析.结果表明:氧化石墨烯基功能纸对阳离子染料亚甲基蓝和罗丹明B有良好的吸附效果,当亚甲基蓝和罗丹明B的初始浓度分别为40和30 mg·L_(-1),功能纸对两种染料的吸附量分别达到了54.84和21.74 mg·g_(-1).而且这种氧化石墨烯基吸附材料很好地解决了吸附剂与水体的分离问题.另外,实验还发现,在氧化石墨烯基功能纸吸附染料的过程中,氧化石墨烯对染料的吸附作用远远大于纸巾本身对染料的吸附.例如,对于罗丹明B,纸巾的吸附量几乎为零,当罗丹明B的初始浓度为30 mg·L_(-1)时,以纸巾上负载的氧化石墨烯质量计算的吸附量达到了183 mg·g_(-1).动力学研究结果表明吸附过程较好地符合伪二级动力学模型,热力学数据分析,氧化石墨烯基功能纸对两种染料的吸附行为是自发吸热的.研究结果对基于氧化石墨烯的吸附材料的制备和应用提供了参考依据.     

基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的等离子体诱导透明效应

为了减小器件尺寸、实现超快速响应和动态可调谐,研究了基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的单波段和双波段的等离子体诱导透明(PIT)效应,通过耦合模式理论和时域有限差分法从数值计算和模拟仿真两方面分析了模型的慢光特性.通过调节石墨烯矩形腔的化学势,同时实现了单波段、双波段PIT模型的谐振波长和透射峰值的可调谐性.当石墨烯的化学势增加时,各个波段PIT窗口的谐振波长逐渐减小,发生蓝移.此外,通过动态调谐石墨烯矩形腔的谐振波长,当石墨烯矩形腔的化学势为0.41—0.44 eV时,单PIT系统的群折射率控制在79.2—28.3之间,可调谐带宽为477 nm;当石墨烯矩形腔1, 2, 3的化学势分别为0.39—0.42 eV, 0.40—0.43 eV, 0.41—0.44 eV时,双PIT系统的群折射率控制在143.2—108.6之间.并且,整个系统的尺寸小于0.5μm~2.研究结果对于超快速、超紧凑型和动态可调谐的光传感、光滤波、慢光和光存储器件的设计和制作具有一定的参考意义.     

SiC纳米纤维/C/SiC复合材料拉伸行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学计算方法和Tersoff作用势研究了无定型碳(amorphous carbon, a-C) 涂层厚度对SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料断裂方式及力学性能的影响. 分析结果发现, 随着涂层厚度的增加, 纳米纤维的平均应力集中系数下降, 即足够厚度涂层可以同时起到增强和补韧的作用. 当a-C涂层厚度t ≤ 0.3 nm时, 裂纹直接穿透纤维, 纳米复合材料表现出典型的脆性断裂方式; t = 4.0 nm时, 裂纹发生偏转, SiC纳米纤维发生拔出现象, 此时纳米复合材料的拉伸强度约为无涂层纳米复合材料的4倍, 断裂能则提高一个数量级. 计算结果表明, a-C涂层的厚度是SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料中产生韧性机理的重要因素, 即传统微米级陶瓷基复合材料的增韧理论在纳米复合材料中仍适用. 研究结果可望为设计同时具有高强度、高韧性的陶瓷基纳米复合材料提供理论基础.     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.     

石墨烯和六方氮化硼纳米片的几何结构、电子结构、磁性及边缘特性研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了多种尺寸的石墨烯和六方氮化硼纳米片的性质,系统研究了其中的量子尺寸效应.研究的最大尺寸纳米片的直径约为5.5 nm,包含816个原子.对纳米片及其边缘的几何结构、电子结构、磁性性质以及电子分布进行了深入探讨,发现石墨烯和六方氮化硼纳米片最外层原子有由锯齿形向圆形变化的趋势,使得纳米片最外层更加平滑.随着纳米片尺寸的增加,能级由分立逐渐变得连续,纳米片由孤立分子态逐渐变得接近无限的晶体;禁带宽度总体有下降的趋势,符合量子尺寸效应.纳米片存在明显的磁性,磁矩主要集中在最外层原子上,且在相对平滑的地方容易出现磁性,相对弯曲的地方不易出现磁性.当增加体系的电子数时,增加的电子主要分布在最外层,使得纳米片整体磁性呈递减的趋势;当减少体系的电子数时,减少的电子的分布逐渐由最外层向内收缩,体系的总磁矩略有增加.研究结果对石墨烯和六方氮化硼纳米片的应用有参考价值.     

石墨烯/银纳米复合材料的制备及其影响因素研究

以硝酸银、鳞片石墨为原料, 在强碱环境下, 制备得到石墨烯/银纳米复合材料, 采用X射线衍射、红外吸收光谱、透射电子显微镜、紫外可见分光光度计对所制备的石墨 烯/银纳米复合材料进行了表征.结果表明: 氧化石墨烯和银离子在强碱NaOH的作用下, 氧化石墨烯失去部分含氧官能团, 被部分还原为石墨烯(rGO), 银离子被还原为纳米银颗粒, 均匀分布在氧化石墨烯片层表面, 颗粒大小和分布受硝酸银用量、反应温度、NaOH的加入顺序及前驱物混合方式等因素影响, 在GO与Ag粒子质量比为 1:1.08时, 负载在石墨烯片层上的银纳米颗粒集中在12 nm左右. 关键词： 石墨烯/银纳米复合材料 强碱溶液     

氧化石墨烯/硒化锌纳米光电材料的制备及其蓝光发射特性

采用一种简单有效的原位水热合成方法,使用石墨烯氧化物（GO）作为反应物和晶体生长基底成功制备出了还原氧化石墨烯/硒化锌（r-GO/ZnSe）纳米复合材料。采用X射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）以及红外-可见光谱（FT-IR）等方法对r-GO/ZnSe纳米复合材料进行了检测。结果表明,平均粒径在30 nm的立方闪锌矿晶体结构的ZnSe粒子均匀分散在氧化石墨烯片层上,构成纳米复合结构。 UV-Vis光谱显示,纳米复合材料的光学吸收的起始波长在445 nm附近。PL光谱显示,纳米复合材料在470 nm附近存在一个很强的发射峰。这种石墨烯基纳米复合材料在白光二极管领域中有重要的应用价值。     

凹槽铜基底表面与单层石墨烯的相互作用特性研究

基于石墨烯二维材料的诸多应用需要将其大面积、高质量地转移到目标基底上,迫切需要了解石墨烯在剥离和转移过程中与基底之间的相互作用特性.本文采用经典分子动力学方法探索了铜基底表面凹槽的几何特征尺寸对石墨烯吸附和剥离过程中凹槽基底对石墨烯吸附作用的影响机理和规律.结果表明:对于固定边界条件下的单层石墨烯,当基底表面的凹槽宽度固定不变时,吸附过程中基底对石墨烯的吸附力随二者间距的减小,呈现先增大后减小的趋势;其最大吸附力随凹槽深度的增加而增大,而当凹槽深度继续增大至石墨烯未能吸附进入凹槽底部的临界值时,吸附力迅速减小;剥离过程中,石墨烯完全剥离的临界作用力随凹槽深度的增加同样呈现先增大后减小的趋势,且与剥离前石墨烯与凹槽基底的相互作用面积有关;当基底表面凹槽的深度固定不变时,吸附和剥离过程中石墨烯-基底之间的吸附力随间距的变化规律取决于石墨烯在基底凹槽处的稳态吸附构型.