边界宽度对石墨烯翘曲程度的影响

摘要

作为目前最有应用前景的新型材料之一，石墨烯在光学、电学、热学以及力学等方面均表现出特有优异性能，在纳电子器件、高灵敏传感器、透明导电薄膜、功能复合材料、储能、催化等领域有着广泛的应用前景。研究表明，在没有热影响的情况下（绝对温度为零），由于边界应力的存在，独立的石墨烯薄膜的边界仍表现出不稳定性，会影响边界的原子结构和边界形貌，进而影响石墨烯各方面性能。已有的二维纳米材料边界的分析方法，是通过建立弹性薄板模型，将边界简化处理成只具有面积而没有几何尺寸的理想梁模型，然后进行理论分析来确定石墨烯薄膜边界翘曲时的尺度关系（即翘曲波形的波长、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值）。然而，这并不能全面表征真实的石墨烯薄膜边界原子结构情况。真实的石墨烯薄膜边界附近原子结构与内部不同，即石墨烯薄膜的实际边界存在一定的几何宽度。因而，边界宽度对翘曲形貌的影响，应该在研究中得到重视。主要工作如下:
　　(1)本文从理论分析着手，首先通过建立有限尺度的二维石墨烯薄板模型，将边界简化为只有面积而没有具体几何尺寸理想梁模型。引入翘曲形貌函数，然后分析和讨论了有限尺寸理想边界模型下石墨烯薄膜稳定时，翘曲波形的波长、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值的大小以及它们之间的关系。
　　(2)同样基于线弹性薄板理论，建立有限尺寸的二维石墨烯真实边界模型。在这里将石墨烯边界赋予具体的几何宽度。利用最小势能原理，分别对手扶椅(armchair)形边界和锯齿形(zigzag)边界进行计算分析，得到边界宽度与翘曲波形的波长、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值的之间的关系。
　　(3)考虑到边界宽度增大时，石墨烯边界趋近于与内部一样的材料，因而将石墨烯边界弹性模量处理成与内部弹性模量相关的函数进行分析计算。这样丰富了石墨烯边界弹性模量的定义范畴，并且通过研究三维石墨烯薄膜厚度方向高阶应变分量的影响，多方面地阐述了真实边界宽度对石墨烯边界翘曲的影响
　　研究表明，当石墨烯结构稳定时，锯齿形(zigzag)边界的翘曲波长明显大于手扶椅(armchair)形边界，且在翘曲幅值方面也有同样的体现。两种边界模型中，翘曲波长与结构总应变能、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值均随边界宽度呈近似一次函数关系。而在armchair边界模型中翘曲幅值随边界宽度变化不明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 石墨烯概述

1．1．2 石墨烯的制备

1．1．3 石墨烯的性能

1．1．4 石墨烯的应用前景

1．2 石墨烯研究现状

1．2．1 石墨烯力学性能的研究方法

1．2．2 石墨烯的力学性能研究

1．3 本文的主要工作

第2章 二维石墨烯模型边界翘曲问题的研究

2．1 Shenoy等关于石墨烯翘曲问题的研究

2．2 二维理想边界模型

2．3 二维真实边界模型

2．3．1 将边界考虑成与内部无关材料

2．3．2 将边界考虑成与内部同种材料

2．4 本章小结

第3章 三维石墨烯模型边界翘曲问题的研究

3．1 三维理想边界模型

3．2 三维真实边界模型

3．2．1 将边界考虑成与内部不同材料

3．2．2 将边界考虑成与内部同种材料

3．3 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表论文