石墨烯离子辐照效应的分子动力学仿真

摘要

石墨烯是厚度只有单原子层的二维材料，并在2004年获得了首个稳定存在的样本。石墨烯的很多物理性质是非常优异的，比如它是已知的机械强度最强的材料之一，并且它具有非常高的电导率和热导率。 但是石墨烯禁带宽度为零的特点，限制了它在电子信息产业的应用。为了改善石墨烯材料的性质，我们需要对石墨烯的结构进行修改。同时因为石墨烯是一种二维材料，所以采用的方法必须足够精确，精确到一次调整一个原子结构的级别。用离子对石墨烯进行辐照能够达到这样的要求。 本文详细研究了石墨烯的离子辐照效应，使用控制变量法对不同的石墨烯对象（包括单层悬空石墨烯、双层悬空石墨烯、Cu衬底上单层石墨烯和Cu衬底上双层石墨烯）分别施加各种不同的辐照条件（包括辐照强度、辐照密度和辐照剂量），并在辐照仿真结束后统计产生的各项结果（包括石墨烯溅射原子数量、缺陷面积和复杂缺陷数量等）。 在对仿真结果进行统计分析后，我们发现：对于悬空石墨烯，由于单双层结构的不同，随着离子辐照强度的增加，单层石墨烯溅射原子数量随之减少，而双层石墨烯溅射原子数量随之增加。同时，随着辐照密度的减小，单层石墨烯溅射原子的数量会呈现出先增加再减小最后趋于稳定的趋势。对于这种现象，本文做出了入射离子有效作用范围这一假设，比较合理的解释了上述的仿真结果。而对于双层石墨烯，随着辐照密度的减小，上层石墨烯缺陷面积先增加再减少，而下层石墨烯基本呈现出持续减小的趋势，这说明上下两层石墨烯的损伤形成原因不尽相同。最后，根据离子有效作用范围这一假设，本文提出了一种可以指导石墨烯辐照参数设计的方法，并通过拟合的方式获得了悬空单层石墨烯溅射原子数量的计算公式。 在对悬空石墨烯的离子辐照效应进行研究之后，本文进一步探讨了Cu衬底在石墨烯辐照过程中的作用。仿真中我们发现，相比于悬空石墨烯，Cu衬底上石墨烯在离子辐照后基本表现出：损伤阈值增加、溅射原子数量减少、缺陷面积增加和复杂缺陷数量增加这4个特点。根据上述这些特点，本文总结了衬底在石墨烯离子辐照过程中所起到的两大作用：即屏蔽作用和增加原子间相互影响的作用。同时，在对双层石墨烯的辐照仿真中，我们发现衬底对石墨烯的影响要略大于石墨烯层之间的相互影响。 完成上述研究后，本文在最后对全文的工作做了总结，归纳了不同研究对象的辐照效应，不同辐照条件对石墨烯的影响以及各种辐照结果的影响因素。

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