单层石墨烯热膨胀系数的分子动力学研究

摘要

本文采用分子动力学模拟的方法，对无缺陷和带空位缺陷单层石墨烯的面热膨胀系数进行了研究。重点讨论了温度、模型尺寸及采样区域面积等对单层石墨烯的面热膨胀系数的影响。研究结果表明，无缺陷和带空位缺陷单层石墨烯的面热膨胀系数随温度的变化均呈非线性变化，并且在很大温度范围内均为负值（热收缩），当温度高于600 K时，面热膨胀系数随温度的变化很小，几乎处于无热膨胀状态。
　　在无缺陷单层石墨烯的面热膨胀系数的研究中，还发现石墨烯的模型尺寸和采样区域面积对面热膨胀系数的变化有着较大的影响。当石墨烯的模型尺寸小于一定尺寸时（此尺寸称为临界值），具有尺寸效应，随着模型尺寸的增大石墨烯的面热膨胀系数绝对值变小，且此时，采样区域面积大于模型尺寸的一定比例时，才可得较稳定的数据或易于收敛。当石墨烯的模型尺寸大于临界值时，无尺寸效应，随着模型尺寸的增大石墨烯的面热膨胀系数无明显变化，此时，采样区域面积大于一定尺寸即可得到较稳定的数据或易于收敛，与模型尺寸无关。在本研究中根据实验数据，提出了一个经验公式，在指定温度范围内可计算出无缺陷单层石墨烯的面热膨胀系数。此外，本文对于带有空位缺陷的单层石墨烯的面热膨胀系数也进行了研究。研究结果发现，在较大的温度范围随着缺陷比例的增加面热膨胀系数的绝对值减小；带集中空位缺陷的单层石墨烯，其面热膨胀系数的绝对值相对小于带分散空位缺陷的单层石墨烯的面热膨胀系数的绝对值，特别是在缺陷比例较大时更为明显。

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