石墨烯纳米带与金属纳米线、纳米颗粒相互作用的分子动力学研究

摘要

石墨烯是一种碳的同素异形体，由碳原子以六角型蜂巢晶格组成二维网状结构。2004年Novoselov和Geim首次从石墨晶体中剥离出了单层石墨烯，实现了二维晶体的制备。石墨烯拥有众多新颖优异的物理性质，目前已经在多个领域得到了实际应用。然而，由于石墨烯表面波纹的存在，理论预测的性质与实验结果有很大的不同，对石墨烯的本征不稳定性的系统研究是一个非常重要的课题。石墨烯与纳米材料的相互作用及其相变条件和相变机制等关键问题的解决，关系到石墨稀基纳米器件的设计与应用。本论文基于分子动力学理论，结合石墨烯的物理性质及其本征不稳定性，系统研究了石墨烯纳米带与金属纳米线、纳米颗粒的相互作用。论文的主要研究内容和成果包括:
　　(1)采用分子动力学方法，模拟并分析铁纳米线诱导石墨烯纳米带自卷曲形成石墨烯纳米卷的行为及机制。铁纳米线能够驱动石墨烯纳米带发生卷曲，形成类似单壁碳纳米管的结构。石墨烯的层间相互作用促使石墨烯纳米带自发地向多层石墨烯纳米卷过渡，最终形成石墨烯纳米卷结构。此外，石墨烯纳米卷的形成对石墨烯纳米带的边缘构型以及与铁纳米线的初始位置关系十分敏感。
　　(2)研究不同轴向的铁、钴、镍等铁磁性金属纳米线与石墨烯纳米带的相互作用，详尽地描述并分析了不同铁磁性金属纳米线对石墨烯纳米带自卷曲过程的作用及其差异。铁磁性金属纳米线与石墨烯纳米卷之间的相互作用受到金属纳米线的表面形貌特征和尺寸的影响。由于金属纳米线具有巨大的比表面积，铁磁性金属纳米线的表面形貌比其尺寸特征有着更重要的作用。
　　(3)深入分析了沿线轴沿[001]晶格取向的镍纳米线在石墨烯纳米带自卷曲过程中的形变现象和形变机制。当Ni[001]纳米线的初始长度大于石墨烯纳米带的宽度时，石墨烯与纳米线之间的范德瓦尔斯相互作用促使Ni[001]纳米线发生弯曲，并导致Ni[001]纳米线的表面由面心立方晶格结构变成六方密堆积晶面。形变后Ni[001]纳米线的内部原子依然维持面心立方的晶格结构，这与实验上观察到的面心立方晶格的金属纳米线的结构一致。
　　(4)将研究内容扩展到石墨烯纳米带与金属纳米颗粒、富勒烯分子的相互作用。系统讨论了铁纳米颗粒的表面形貌和体系的初始构型对石墨烯纳米带形变行为的影响;研究了石墨烯纳米带与C60、C180、C240、C320以及C540等不同尺寸的富勒烯分子的相互作用;模拟并分析了单层石墨烯薄膜在Ru[0001]衬底表面形成的周期性起伏结构，利用石墨烯周期性起伏结构形成的密堆积超晶格，研究富勒烯分子在石墨烯表面的吸附、扩散和自组装特性。
　　本论文的理论成果深化了对石墨烯纳米带与铁磁性金属纳米线、纳米颗粒相互作用机制的认识，对于铁磁性纳米颗粒的保存、高密度磁性存储器以及高频振荡器等石墨烯基微纳米器件的制造具有重要的指导意义和实用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 前言

第二节 石墨烯的物理性质及其不稳定性

1．2．1 力学性质

1．2．2 热学性质

1．2．3 光学性质

1．2．4 电学性质

1．2．5 石墨烯的不稳定性

第三节 石墨烯纳米带和石墨烯纳米卷的研究背景

1．3．1 石墨烯纳米带的性质

1．3．2 石墨烯纳米带的制备方法

1．3．3 石墨烯纳米卷的研究进展

第四节 论文选题的目的、意义以及研究内容

1．4．1 论文选题的目的和意义

1．4．2 本论文的研究内容

第二章 分子动力学基础理论知识介绍

第一节 引言

第二节 分子动力学基本概念

2．2．1 运动方程

2．2．2 空间边界条件

2．2．3 时间步长

2．2．4 系综

2．2．5 经验势

第三节 分子动力学基本步骤

第四节 分子动力学模拟中的数值计算方法

2．4．1 牛顿运动方程的积分算法

2．4．2 温度控制方法

第三章 铁纳米线与石墨烯纳米带相互作用的分子动力学研究

第一节 引言

第二节 模型的建立与分子动力学计算方法

第三节 结果与讨论

3．3．1 石墨烯纳米带在Fe[110]纳米线表面的自卷曲行为

3．3．2 石墨烯纳米卷的形成机制

3．3．3 石墨烯纳米卷和Fe[110]纳米线的结构稳定性

3．3．4 狭长石墨烯纳米带与Fe[110]纳米线的相互作用

第四节 本章小结

第四章 铁磁纳米线与石墨烯纳米带的相互作用研究

第一节 引言

第二节 模型的建立与分子动力学计算方法

4．2．1 体系构型的建立

4．2．2 分子动力学模拟的参数设定

4．2．3 势函数的选取

4．2．4 热力学体系初始速度分布的赋予

第三节 结果与讨论

4．3．1 不同铁磁性金属纳米线与石墨烯纳米带的相互作用

4．3．2 不同铁磁性金属纳米线之间的差异性分析

4．3．3 特定晶格取向的镍纳米线在石墨烯纳米带作用下的形变现象

4．3．4 Ni[001]纳米线在石墨烯纳米带作用下发生形变的机制研究

第四节 本章小结

第五章 石墨烯纳米带与金属纳米颗粒及富勒烯的相互作用研究

第一节 引言

第二节 模型的建立与分子动力学计算方法

5．2．1 狭长石墨烯纳米带与铁纳米颗粒的分子动力学模型

5．2．2 石墨烯纳米带与不同直径的富勒烯分子的分子动力学模型

5．2．3 Ru[0001]基底上的石墨烯纳米薄片与富勒烯分子的分子动力学模型

5．2．4 分子动力学模拟计算方法

第三节 结果与讨论

5．3．1 狭长石墨烯纳米带与铁纳米颗粒的相互作用研究

5．3．2 石墨烯纳米带与不同直径的富勒烯分子的相互作用研究

5．3．3 Ru[0001]基底上的石墨烯纳米薄片与富勒烯分子的相互作用研究

第四节 本章小结

第六章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果