石墨烯中位错的结构与滑移

摘要

理想的石墨烯拥有非常完美的各项性质，然而无论什么方法制备出来的石墨烯材料中不可避免的存在缺陷，特别是拓扑缺陷。石墨烯晶格有一个特殊的性质，在于它拥有通过组成非六边形环的方式重新构建结构。而这些缺陷对材料的影响是巨大且不可忽略的，因而研究石墨烯中的拓扑缺陷是现如今石墨烯研究中的一项大热门。
　　为了更好的了解位错对于材料的影响，特别是位错的电子或者磁性性质，位错的结构通常是研究者首先关注的问题，只有知道他们到底长什么样子，才能更好的了解他们是如何作用在材料中的。我们发展了一套基于P-N模型的位错晶格理论，在这套理论的基础上，可以展现位错的性质，也可以预测材料中可能存在的位错。位错晶格理论沿用的位错模型来自著名的P-N理论，在此基础上加上了来自于滑移面附近的半无限晶体表面之间的距离修正，修正了垂直博格斯矢量方向的形变，引入γ-势，进行了全离散的修正，再一个对于原有理论的修正是关于成键断键的非线性相互作用修正。晶格位错理论就是在原有的P-N模型的基础上，经过上面所说的各项修正，形成的可以精确求解位错结构的一种理论模型，在本文中，位错晶格理论被严格的应用在石墨烯材料中，可以严格的得到石墨烯中存在最多的位错偶极子对缺陷-SW缺陷，以及单个p-h对缺陷的位错结构，特别是位错芯附近结构，以及位错的应力应变场，位移场，并且可以拿来与第一性原理计算模拟的结构相比较，误差在0.1?附近，这是其他理论不能得到的精度。
　　石墨烯材料有了位错之后，材料中出现了明显的应力应变场，正的膨胀表示拉伸，而负值的膨胀表示的是在这块区域材料发生了挤压。由于挤压集中，而石墨烯是典型的二维材料，在第三维并没有限制，因而在有内部挤压的时候，材料也许会发生向第三维皱起的现象，关于皱起的性质和形式，现在科研界争论很多，我们根据前面得到的应力场分布和弹性理论的基础以及模拟的方法讨论了石墨烯中位错的皱起。发现，石墨烯中单个5-7边形缺陷的皱起最高点在远离七边形的五边形顶角。位错的不同结构会影响位错的皱起性质，存在一个临界应力σc=1.36μ，当内应力小于临界应力时位错不会发生皱起。同样通过近似解，可以描绘出位错皱起宽度为η=1.83a。内应力，以及拉伸和压缩区域的距离是影响位错皱起的最重要因素。
　　在知道了位错的结构之后，另一个重要的问题出现了，位错移动的时候他会是什么样子的？然而，在现今的技术手段限制下，观测到原子尺度下的位错在块体材料中的移动仍然是不能实现的。我们在理论基础上研究了石墨烯中位错移动的中间态，与实验结果类似的是，石墨烯中位错是首先被比如电子照射激发到能量的高能级结构，然后能量自由降落到新的能量谷，我们第一次计算了位错的激发态，这个激发态位于位错能量的鞍点。这个特殊的激发态是位错的一种不稳定结构，位错从这个能量的鞍点按照动力学法则自由降落到能量的基态。当位错从这个激发态移动到基态，它移动了半个博格斯矢量的距离，在本文中，位错结构的演化细节和能量改变都是通过第一性原理模拟得出的。通过中间态我们还得知了SW缺陷产生和湮灭的具体过程和能量变化。实际上，位错的移动中，存在一个拥有一个平台，以及非常迅速的降落的趋势，和一个变化非常缓慢的结尾的能量曲线。这一拥有非常不寻常的变化行为的能量曲线是由位错中心的断开和形成化合键造成的，这类似的行为在化合物材料中会非常的常见。

目录

1 绪 论

1.1石墨烯

1.2石墨烯中的位错

1.3研究手段

1.4 本文研究内容

2 石墨烯中位错的晶格理论

2.1 引言

2.2位错的自由能

2.3石墨烯中SW缺陷的平面结构

2.4石墨烯中五七边形对缺陷的平面结构

2.5 本章小结

3 石墨烯中位错的皱起

3.1 引言

3.2石墨烯中五七边形对缺陷的皱起

3.3石墨烯中位错偶极子对的皱起

3.4本章小结

4 石墨烯中位错的滑移和中间态

4.1 引言

4.2 石墨烯中的O型位错和B型位错

4.3位错中滑移的自身演化和中间态结构变化

4.4本章小结

5 结论与展望

5.1 本文的主要结论

5.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 攻读博士学位期间参加的科研项目