石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

在胎牛血清蛋白润滑环境下GO/UHMWPE复合材料的摩擦学性能研究

采用往复式滑动摩擦磨损试验机,考察了在胎牛血清蛋白(BSA)润滑环境下,氧化石墨烯/超高分子量聚乙烯(GO/UHMWPE)复合材料的摩擦学性能.试验结束后,利用高分辨扫描电子显微镜(HR-SEM)和Micro-XAM非接触式三维表面轮廓仪观察试样表面磨痕并计算相应的磨损率.结果表明:在BSA润滑环境下,相对纯UHMWPE,尽管无机增强填料GO的添加可以显著降低复合材料的稳态摩擦系数(COF),但是随GO含量增加无明显变化.然而,复合材料的体积磨损率(WR)却随GO含量增加呈现出逐渐减小的趋势.因此无机填料GO可以显著改善UHMWPE在BSA润滑环境下的摩擦学性能.     

石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响

石墨烯纳米带 (GNRs) 是一种重要的纳米材料, 碳纳米管可看作是GNRs卷曲而成的无缝圆筒. 利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了GNRs卷曲变形到不同几何构型时, 其电子特性, 包括能带结构 (特别是带隙) 、态密度、透射谱的变化规律. 结果表明: 无论是锯齿型GNRs (ZGNRs) 或扶手椅型GNRs (AGNRs), 在其卷曲成管之前, 其电子特性对卷曲形变均不敏感, 这意味着GNRs的电子结构及输运特性有较强地抵抗卷曲变形的能力. 当GNRs 卷曲成管后, ZGNRs和AGNRs表现出完全不同的性质, ZGNRs几乎保持金属性不变或变为准金属; 但AGNRs的电子特性有较大的变化, 出现不同带隙半导体、准金属之间的转变, 这也许密切关系到碳纳米管管口周长方向上的周期性边界条件及量子禁锢的改变. 这些研究对于了解GNRs电子特性的卷曲效应、以及GNRs与碳纳米管电子特性的关系 (结构与特性的关系) 有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 卷曲效应 电子特性 密度泛函理论     

硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法, 研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及其储锂性能. 计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能, 复合结构中嵌锂吸附能和PDOS. 分析表明, 硅团簇和石墨烯之间形成较强的Si—C键, 其中[111]晶向硅团簇与石墨烯作用的形成能最高, 结构最为稳定. 进一步计算其嵌锂吸附能, 发现硅团簇中靠近石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附, 由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移, 其吸附能明显大于其他储锂位置. 同时在锂嵌入过程中, 由于石墨烯的引入, 明显减小了界面处硅的形变, 有望提高其作为锂电池负极材料的可逆容量.     

梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

理论上研究了介质/石墨烯/介质梳状波导结构中表面等离子体的传播性质. 波导中表面等离子体模的有效折射率随着石墨烯费米能级的提高而减小, 随着介质折射率的增加而增加. 分析和仿真结果表明, 基于这种梳状波导可以在中红外波段实现新型的纳米等离子体滤波器, 器件的尺度在几百纳米的范围. 通过改变梳状分支的长度, 石墨烯的费米能级, 介质的折射率和波导中石墨烯的层数, 很容易来调节带隙的位置. 另外, 滤波带隙的宽度随着梳状分支数的增加而增加. 这种滤波性质将在可调的高集成光子滤波器件中具有潜在的应用.