纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.     

金属/石墨烯复合纳米阵列结构LSPR特性

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究金属/石墨烯复合纳米阵列的消光特性,考察金属基底和石墨烯纳米阵列尺寸对局域表面等离子体共振峰位和强度的影响,以及研究不同基底厚度比条件下纳米复合阵列的电场分布、规律和物理本质。仿真结果表明,当保持金属基底厚度不变时,Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列的局域表面等离子体共振峰随石墨烯原子层数的增大而增大,共振波长发生微小红移;当保持八根石墨烯层柱和银基底厚度不变时,随金银厚度比的增大,消光光谱发生蓝移;Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列银层表面的电场强度为最强,石墨烯纳米棒阵列的电场强度较强。     

狭小间距间Cu/Al薄膜相互作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟软件基于Lennard-Jones-9-6势函数研究了狭小间距Cu/Al纳米薄膜间的相互作用.我们通过计算薄膜表面单位面积上的范德华相互作用能,综合讨论了非接触Cu/Al薄膜间的相互作用.结果表明,当两薄膜的间距从12减小到3时,相互作用能呈现两个阶段:起初几乎不变,然后迅速增大.临界间距在7附近.在两薄膜相互靠近的过程中,相互作用能受体系尺寸、空位缺陷尺寸、表面涂层及薄膜间距的影响较大,然而几乎不受空位缺陷形状的影响.     

碱金属在石墨烯表面吸附,迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属(Li,Na,K)在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质.结果表明:3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移.Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li-石墨烯体系K-石墨烯体系Na-石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现.     

耦合暗孤子在自散焦介质中的传输特性

空间光孤子是介质衍射效应和非线性效应相平衡的结果。当两束非相干光在非线性介质中传输时,两孤子发生交叠而产生相互作用,本文研究自散焦介质中非相干耦合暗孤子对的传输特性和相互作用。基于描述光束传播的耦合非线性薛定谔方程组,利用变分法,首先得到了自散焦克尔介质中传输的两暗孤子的幅值、横向中心位置坐标、速度和相位随传输距离变化的参数演化方程组,讨论了孤子参数演化的规律。然后,为分析孤子间相互作用,导出了两幅值相等的暗孤子在传输过程中孤子间距随传输距离的变化规律,作出了孤子对传输图像和相互作用图像,最后导出了孤子间相互作用势能和相互作用力的表达式,并利用图像详细分析了孤子间的相互作用特性。研究结果表明:无损耗情况下,孤子的幅值不受耦合作用的影响,传输过程中保持不变;耦合相互作用使两孤子横向中心位置坐标发生明显漂移,当两孤子间距较小时,孤子间距随传输距离作变速变化,变化速率与孤子的幅值和耦合程度有关,当两孤子间距趋近于零时,孤子间距随传输距离呈匀速的稳定变化;暗孤子间的相互作用力为排斥力,随着孤子间距增大,排斥力先增大后减小,而相互作用势能一直逐渐减小,当孤子间距增至4.5附近时,孤子间势能减小到几乎为零。     

狭小间距间Cu/Al薄膜相互作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟软件基于Lennard-Jones-9-6势函数研究了狭小间距Cu/Al纳米薄膜间的相互作用. 我们通过计算薄膜表面单位面积上的范德华相互作用能σ_E,综合性地讨论了非接触Cu/Al薄膜间的相互作用.结果显示,当两薄膜的间距从12Å减小到3Å时,相互作用能呈现两个阶段：起初几乎不变,然后迅速增大.临界间距在7 Å附近.在两薄膜相互靠近的过程中,相互作用能受体系尺寸、空位缺陷尺寸、表面涂层及薄膜间距的影响较大,然而几乎不受空位缺陷形状的影响.     

碱金属在石墨烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属（Li,Na,K）在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质。结果表明：3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移。Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li−石墨烯体系强于K −石墨烯体系和Na−石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现。     

碱金属在石墨烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属（Li,Na,K）在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质。结果表明：3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移。Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li−石墨烯体系强于K −石墨烯体系和Na−石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

非接触铜铝纳米薄膜侧向移动相互作用的分析

采用分子动力学方法模拟铜铝纳米薄膜相对侧向移动的相互作用能。研究了铜薄膜的侧向位移从0Å到50Å时温度、相互作用间距、表面形貌和表面粗糙度对作用能的影响。结果表明,相互作用强度随温度的增加而增大,随相互作用间距的减小而增大,随表面粗糙度的增大而减小。为研究薄膜在纳米尺度的相互作用提供了一个新的方法。     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

Electronic transport calculation of adsorbate NO<Subscript>2</Subscript> and NO molecules on graphene using Maximally Localized Wannier functions

In this paper we have investigated the adsorption of the gas molecules (NO₂, NO) on graphene, using first-principles methods. For full geometric relaxation of the molecules in the vicinity of a graphene sheet, we obtain the adsorption geometry, adsorption energies, charge transfer and density of states (DOS). We can identify which of the adsorbate molecules is acting as donor or acceptor. We find that the conductance of graphene at the Fermi level decreases with adsorbing NO₂ molecules and increases with adsorbing NO molecules.     

改性石墨烯SO_2气敏性质的第一性原理研究

为了寻求高灵敏度的石墨烯基的SO_2气体传感器,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究纯净石墨烯(PG)、单空位缺陷(SVG)、SW缺陷(SWG)、Mn掺杂修饰的石墨烯(Mn-PG)及掺杂和缺陷共修饰的石墨烯(Mn-SVG和Mn-SWG)对SO_2分子的吸附特性.研究表明:PG和SWG对SO_2分子的吸附作用较弱,对SO_2分子不具有敏感性;SO_2分子在SVG表面的吸附能够有效调控其电子结构的变化,使其由金属性转变为半金属性,但其吸附能较低(0.636 eV);结合了Mn掺杂和SV缺陷的Mn-SVG基底尽管增大了与SO_2分子相互作用,但未能引起该体系电子结构和磁性的明显改变;相比之下,SO_2分子在Mn-PG和Mn-SWG基底上具有较强的吸附稳定性;同时,该分子吸附可诱发Mn-PG和Mn-SWG体系磁矩的急剧降低和电导率的显著变化,故可作为探测和清除环境中SO_2分子理想材料.该研究为设计新型石墨烯气体传感器提供理论参考.     

Temperature dependence of the thickness and morphology of epitaxial graphene grown on SiC （0001） wafers

Epitaxial graphene is synthesized by silicon sublimation from the Si-terminated 6H–SiC substrate. The effects of graphitization temperature on the thickness and surface morphology of epitaxial graphene are investigated. X-ray photoelectron spectroscopy spectra and atomic force microscopy images reveal that the epitaxial graphene thickness increases and the epitaxial graphene roughness decreases with the increase in graphitization temperature. This means that the thickness and roughness of epitaxial graphene films can be modulated by varying the graphitization temperature. In addition, the electrical properties of epitaxial graphene film are also investigated by Hall effect measurement.     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

Flow characteristics around a rotating grooved circular cylinder with grooved of different depths

The present paper describes the flow characteristics around a rotating grooved circular cylinder with grooves of different depths. The surface structure of a circular cylinder was varied by changing the depths of 32 arc grooves on the surface. The surface pressure on the cylinder is measured for theRe range of from 0.4×10⁵ to 1.8×10⁵ and for rotations of from 0 to 4500 rpm. The drag coefficient of a grooved cylinder increases as the spin rate ratio α (= rotational speed of the cylinder surface/uniform velocity) increases forRe>1.0×10⁵. As the groove depth increases, the drag coefficient of a grooved cylinder is independent from the spin rate ratio α. The direction of the lift force of a smooth cylinder is opposite to the Magnus force forRe>1.0×10⁵. However, the direction of the lift force of a grooved cylinder is the same as that of the Magnus force for allRe>1.0×10⁵. As the groove depth increases, the increase in the slope of the lift coefficient becomes small. These phenomena are related to the positions of the flow separation points, which are clarified from the pressure distribution and flow visualization by the spark tracing method. In addition, in the present study, the flow around a rotating grooved cylinder is clarified by flow visualization.     

基于芯-电子结合能偏移的碱金属中的表面、尺寸和热效应

还原氧化石墨烯是大规模生产石墨烯的前体;然而迄今为止,还原氧化石墨烯的电子结构还没有达成共识. 本文运用从头分子动力学方法研究羟基在石墨烯表面的吸附过程. 在吸附过程中,OH基团首先在位于两个碳原子桥位上方形成物理吸附络合物,然后翻越过渡态,最终被吸附在一个碳原子的顶位位点. 结果显示5×5石墨烯表面最多可以吸附6个羟基,表明石墨烯表面羟基的覆盖率约为12%. 计算结果还显示,负吸附能随着羟基吸附数目的增加而线性增加,带隙也随着羟基吸附数目的增加而线性增加.     

Noble metals induced magnetic properties of graphene

The adsorption energies, stable configurations, electronic structures, and magnetic properties of the graphene with noble metal (NM=Pt, Ag, and Au) atom adsorption were investigated using first-principles density-functional theory. It is found that the bridge site is the most stable adsorption site for the Pt adatom; the Ag adatom can be stabilized almost equally at the bridge or the top site, while the Au adatom prefers to be adsorbed at top site. The Pt-graphene interaction is stronger than the interaction of Ag-graphene and Au-graphene, since the Pt atom has an unsaturated electronic d-shell (d⁹s¹). While there is no net magnetic moment for the Pt adatom, the Ag and Au adatoms still exhibit magnetic character on the graphene. The magnetic moments of the NM-graphene systems may be quenched (e.g., Pt-graphene), reduced (e.g., Ag-graphene) or not changed (e.g., Au-graphene) as compared with the values before adsorption. Therefore, the magnetic character of the adatom-graphene system can be turned by adsorbing different NM atoms on the graphene.     

单层石墨烯水分子吸附对其光学性质的影响

用基于第一性原理中的密度泛函理论MS软件对水分子吸附在单层石墨烯表面进行计算,使用广义梯度近似和周期性平面模型,得到不同数量的水分子吸附在石墨烯表面上的吸附能,并且计算了相对应的光学性质.得到的结果是吸附能很小,主要是范德瓦尔斯相互作用.石墨烯具有高疏水性,水分子在石墨烯表面对石墨烯的电子结构几乎没有作用,吸附不同个数的水分子后对石墨烯的光学性质有一定影响,其中吸附单个水分子后变化并不明显,吸附2或3个水分子后吸收率和光电导率略有下降;折射率和消光率下降不明显,说明吸附水对石墨烯的透明度影响不大;介电函数的实数部分变化趋于平缓,虚数部分有明显下降;能量损失增加.