机械剥离折叠石墨烯粘附与纳米摩擦性质

本文用原子力显微镜研究了空气和氮气两种不同气氛环境下的机械剥离石墨烯粘附力,发现氮气环境下的粘附力更小,且石墨烯边缘的粘附力比内部区域大.在氮气环境下探究了折叠石墨烯粘附力与层数的关系及其摩擦性能,结果表明粘附力与折叠石墨烯层数无明显关系,折叠石墨烯各区域的摩擦性能都远超二氧化硅基底,且单层、单层上折叠、双层以及双层上折叠区域的摩擦系数依次降低,分别为0.049,0.031,0.023和0.021,摩擦力也依次降低,折叠处由于层与层之间的结合力弱于相同层数的石墨烯,摩擦性能有所降低,但未发现粘附力与摩擦力之间的明显关系.在采用尖针和球针测量粘附力时,测量历史不会对后续粘附力产生明显影响.对空气环境下出现的新鲜折叠石墨烯的研究表明新鲜折叠石墨烯的折叠区域摩擦力较未折叠区域显著增大.     

石墨烯层间纳米摩擦性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间3-6 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.05-0.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.     

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

掺氮石墨烯具有良好的应用前景,但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏.本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响.结果表明在公度、非公度的界面结构下,氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势.界面结构为公度状态时,氮原子的引入导致了局部非公度状态,因而界面势垒降低、摩擦减小.界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反,在二者的共同作用下,随氮掺杂比例的升高,掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势.界面结构为非公度状态时,氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化,界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大.存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大,掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义.     

纳米尺度硼烯与石墨烯的相互作用

硼烯作为一种性能优异的二维材料,其界面动力学行为值得探讨.本文采用解析法研究了石墨烯与六方氮化硼(h-BN)以及一种硼烯之间的相互作用.结果表明,石墨烯在六方氮化硼上滑动时, C原子和B原子之间的相互作用弱于C原子和N原子之间的相互作用.石墨烯与硼烯界面间的势能起伏明显小于石墨烯和六方氮化硼之间的势能起伏,表明其界面摩擦力可能更小.此外,石墨烯从硼烯上滑出时拉出力较小,其边界效应更弱,因此硼烯有望成为一种摩擦性能优异的二维材料.     

悬浮石墨烯摩擦特性

石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力.本文在SiO_2/Si基底上制备了微孔阵列,将石墨烯剥离在微孔上,形成悬浮结构.使用原子力显微镜研究悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦特性,结果表明:悬浮石墨烯表面摩擦力比基底支撑石墨烯明显减小,同时在支撑石墨烯上出现的摩擦增强效应也消失.随着石墨烯厚度的增大,面外刚度逐渐增大,悬浮石墨烯与支撑石墨烯的摩擦力差异逐渐减小.此外,使用预磨损探针时,悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦力都显著增大,且悬浮石墨烯的摩擦力依然比支撑石墨烯小.通过对比不同厚度石墨烯,不同针尖半径时悬浮石墨烯与支撑石墨烯表面摩擦力的变化,揭示了面外变形对石墨烯摩擦力的影响,为有效提高石墨烯固体润滑剂的摩擦性能提供了理论指导.     

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.     

氢化与氟化五边形石墨烯双层电子性能调控的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,我们研究了氢化、氟化及氢氟化五边形石墨烯双层对其电子性能的调控.计算结果表明,氢化和氟化的五边形石墨烯双层可分别在价带顶及导带底形成局域的电子态而显著降低带隙.基于这一特性,我们进一步研究氢氟化的五边形石墨烯双层结构对电子能带的影响,并且发现通过调控氢氟化覆盖度能够有效调节带隙,进而实现五边形石墨烯双层从半导体到金属态的转变.     

基于滑动势能面的二维材料原子尺度摩擦行为的量化计算

近年来,二维材料优异的摩擦特性成为人们关注的焦点,然而目前缺乏理论上对其摩擦力进行快速、有效、精确的计算预测方法.本文提出采用密度泛函理论计算真实体系的滑动势能面,利用得到的"数值型势能面"替代传统的解析势函数,并结合Prandtl-Tomlinson模型,量化求解具有复杂形状势能面的真实二维材料体系的摩擦行为.基于该方法,揭示了原子力显微镜实验中观察到的石墨烯Moire纹超晶格结构的双周期"黏-滑"摩擦现象;理论预测了二维材料异质结构的层间超低摩擦现象,相对于同质材料,其静摩擦力和滑动摩擦力均成数量级降低,发现势能面起伏和驱动弹簧刚度均会影响层间相对滑动路径,进而对层间的摩擦行为产生影响.该方法同样可拓展到其他van der Waals作用主导的界面摩擦体系.     

速度对聚四氟乙烯摩擦系数影响的分子动力学模拟

基于分子动力学方法建立了双层聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)摩擦模型,研究了不同速度下PTFE的摩擦过程.通过分析不同速度下接触区内下层PTFE分子键长、键角、分子形状的变化及接触过程中摩擦力和正压力的变化,从微观角度研究了速度对PTFE摩擦系数的影响.研究结果表明:随着速度的增加,接触区内PTFE粒子间的键长变短,键角变小,分子链沿x;方向的变形量增加.变形后的PTFE分子产生的回弹力导致上、下层PTFE分子间相互作用力增加,从而增加了摩擦力.当速度进一步增大时,接触区内下层PTFE粒子间的键长和键角多处于平衡位置,分子链沿x方向的变形量减小.这很可能是由于接触区内下层PTFE分子沿速度方向倾斜,使上、下层PTFE分子趋于平行滑动,从而降低了摩擦力.不同速度下正压力几乎保持不变.因此,当上层PTFE所受外载荷固定时,摩擦系数随着速度的增加先增大后减小,临界速度为1.2 m/s,这与实验研究结果一致.     

近邻层对相邻层界面能的影响

本文采用密度泛函理论比较了三层异质结(石墨烯/石墨烯/石墨烯,石墨烯/石墨烯/氮化硼和氮化硼/石墨烯/氮化硼)和双层异质结(石墨烯/石墨烯,石墨烯/氮化硼)的结合能和广义堆垛能的差异,以研究近邻层的影响. 由于近邻层的影响,相邻层结合能会有从-2.3%到22.55%的变化,但层间距的变化很小. 此外近邻层也会影响相邻层的广义堆垛能,变化值从-2%到10%,具体的变化值依赖于相邻层的性质.     

纳米级随机粗糙表面微观滑动摩擦力的计算研究

表面形貌很大程度上决定了摩擦副的摩擦性能, 而所有的表面都不可能是绝对光滑的.由于摩擦表面形貌的随机性, 决定了实际的摩擦过程具有随机性的特点, 因此为了获得与随机形貌对应的摩擦特性, 建立合理的随机摩擦模型是必要的. 本文基于Lennard-Jones势能建立了纳米级随机粗糙表面和原子级光滑的刚性平面间的随机摩擦模型; 模型中, 界面势能由法向载荷和界面间平衡距离决定.通过数值计算的方法, 推导了微观滑动摩擦力的计算公式和摩擦力与法向载荷之间的关系. 研究结果表明摩擦力随着法向载荷的增加而增加, 但不是线性增长. 结果也说明界面间的表面势能可能是微观摩擦力的本质起源. 关键词： 随机粗糙表面 Lennard-Jones势能 微滑动摩擦力 微摩擦     

近邻层对相邻层界面能的影响（英文）

本文采用密度泛函理论比较了三层异质结(石墨烯/石墨烯/石墨烯,石墨烯/石墨烯/氮化硼和氮化硼/石墨烯/氮化硼)和双层异质结(石墨烯/石墨烯,石墨烯/氮化硼)的结合能和广义堆垛能的差异,以研究近邻层的影响.由于近邻层的影响,相邻层结合能会有从-2.3%到22.55%的变化,但层间距的变化很小.此外近邻层也会影响相邻层的广义堆垛能,变化值从-2%到10%,具体的变化值依赖于相邻层的性质.     

不同基底石墨烯涂层的层间滑移减磨性能研究

石墨烯薄膜作为一种二维材料,是提高微/纳机电系统(MEMS/NEMS)摩擦力学性能的优异润滑剂.为了探究基底材料和石墨烯层数对其减磨性能的影响,本文通过在不同基底制备了不同层数的石墨烯涂层,利用原子力显微镜(AFM)实验和分子动力学(MD)仿真结合的方法,研究了石墨烯层数对减磨效应的影响.并且通过建立不同层数石墨烯涂层的摩擦性能分析模型,探究出石墨烯层间滑移是产生减磨的主要因素.结果表明:在不同载荷下,石墨烯涂层对硅基底和铜基底均有优异的减磨效果,摩擦力随着石墨烯层数的增加逐渐降低,当石墨烯层数大于10层时,达到最优99.3%的减磨效果.通过仿真分析发现,随着层数增加,石墨烯与基底的干摩擦转变为石墨烯的层间摩擦,并产生层间剪切滑移,石墨烯层间滑移是导致多层石墨烯优异减磨性能的主要因素.     

质子束辐照单层石墨烯的损伤效应

基于石墨烯优异的电学性能,其已被广泛应用于许多工业领域.但由于其带隙为零,一定程度上限制了在电子器件方面更进一步的应用.为了通过离子辐照在石墨烯中引入缺陷并打开带隙,本工作研究了能量为750 keV,1 MeV的质子束对硅衬底单层石墨烯的辐照损伤效应.通过对比辐照前后的石墨烯样品的拉曼光谱发现:I_D/I_G随着入射质子能损的增大而增大,与SRIM程序模拟结果趋势一致;缺陷间平均距离L_D随入射质子能量的增大而增大;缺陷密度n_D随入射质子能量的增大而减小.这表明质子在石墨烯中的损伤效应与三维材料相似.     

硅基材料界面石墨烯片层运动行为及其摩擦特性

应用从头算分子动力学方法,模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程,研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响.干燥环境下,压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移,而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移.潮湿环境下,界面结构影响水分子的整体分布和运动状态,而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为.由于二氧化硅表面羟基取向角较大,使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大,从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱,二者之间出现相对滑移.石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变.通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析,发现其与摩擦系数之间存在正相关性.     

缺陷对碳纳米管摩擦与运动行为的影响

本文采用分子动力学方法研究了公度、无公度情况下含空位、Stone-Thrower-Wales(STW)型缺陷的单壁碳纳米管(SWCNT)在石墨基底上的摩擦与运动行为.结果表明,公度时缺陷的存在导致了界面局部无公度,减小了摩擦.随着碳纳米管底部STW缺陷的增多,碳纳米管变形增大,侧向力波动的幅值减小,局部无公度性增强,摩擦减小.含空位缺陷的碳纳米管所受的摩擦力明显大于含STW缺陷的碳纳米管,原因在于含空位缺陷的碳纳米管在运动的后期出现了明显的翻转现象,增大了能量耗散.无公度时,碳纳米管与石墨基底间的摩擦力很小,缺陷对其摩擦力影响不大,原因在于无论是否含有缺陷,碳纳米管与石墨组成的界面的无公度性差别不大.     

基底支撑刚度梯度变化对石墨烯层间摩擦力的影响

基于纳米摩擦能耗理论,利用分子动力学方法建立了公度接触下支撑刚度梯度变化的石墨烯层间摩擦力模型,分析了基底质心刚度和支撑刚度梯度变化对基底和薄片各接触区摩擦能耗的贡献.结果表明:软边界区始终贡献驱动力;硬边界区贡献的摩擦力最大,且随着支撑刚度的增大,硬边界区对总摩擦的贡献比也越高.各接触区的摩擦力是薄片和基底之间的褶皱势和接触区产生的法向变形差两部分的共同作用.前者是公度接触下阻碍滑移的界面势垒和刚度梯度方向上不同刚度支撑原子热振动引起的势梯度;后者是接触边界过渡区两侧原子的非对称变形和自由度约束突变引起的非平衡边界势垒相耦合的结果.本文对研究公度接触下刚度梯度支撑的纳米器件的相对运动规律有指导意义.     

石墨烯TE模表面等离子体波和表面等离子体波导的特性

基于含石墨烯的双/三层介质结构中的光学色散方程,研究了覆层和基底层材料对石墨烯表面等离子体波横电(TE)模的影响。计算结果表明,近红外波段内,石墨烯表面等离子体波TE模的性质对覆层和基底层介电常数的差值极其敏感。当覆层和基底层介电常数出现微小差异时,TE模可以进行传输。随着两介电常数差值的增大,TE模的有效折射率显著增大,甚至超过覆层折射率,而传播损耗不断减小。对于三层介质结构,相邻两介质分界面间添加单层石墨烯形成了平板波导结构,研究该结构发现,当传导层和基底层介电常数相近时,其夹层的石墨烯对波导TE模的调控尤其显著,这种调控来源于电磁波耦合到石墨烯形成的表面等离子体波TE模。这些结果为设计调制器、检测器和过滤器等石墨烯表面等离子体波导器件提供了理论支持。     

温度对微界面摩擦影响的研究

以微观界面摩擦为研究对象,分析了温度变化对材料摩擦性能的影响.基于Towle剪切强度-温度经验公式和晶格热动力学理论,推导出摩擦力与温度之间的理论计算公式.理论分析表明:当界面温度低于材料的德拜温度时,摩擦力随着温度的增加而降低.理论计算结果与原子力显微镜实验结果对比,发现二者趋势一致,表明本文提出的理论和方法可行. 关键词： 界面摩擦 真实接触面积 温度 摩擦力     

旋转双层石墨烯的电子结构

本文将第一性原理和紧束缚方法结合起来, 研究了层间不同旋转角度对双层石墨烯的电子能带结构和态密度的影响. 分析发现, 旋转双层石墨烯具有线性的电子能量色散关系, 但其费米速度随着旋转角度的减小而降低. 进一步研究其电子能带结构发现, 不同旋转角度的双层石墨烯在M点可能会出现大小不同的的带隙, 而这些能隙会增强双层石墨烯的拉曼模强度, 并由拉曼光谱实验所证实. 通过对比双层石墨烯的晶体结构和电子态密度, 发现M点处带隙来自于晶体结构中的“类AB堆垛区”. 关键词： 旋转双层石墨烯 第一性原理 紧束缚 电子结构