多空位缺陷石墨烯修复机制的分子模拟研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 石墨烯是由单层C 原子组成的二维晶体，完美石墨烯具备优秀的电学、光学、 热学和力学性能，但普通工厂中很难获得无缺陷的石墨烯，而缺陷会导致石墨烯 各方面性能的降低，所以缺陷石墨烯的修复是一个值得关注的课题。本文采用了 分子动力学方法模拟了不同条件下多空缺陷石墨烯的修复过程，研究了碳辐射作 用下多空位缺陷石墨烯的修复行为及机理，以及金属原子对大空位缺陷石墨烯的 催化修复行为及机理。主要研究内容如下： ① 制备了表面具有多空位缺陷的石墨烯模型，选择了ReaxFF 势函数，通过 在多空位缺陷石墨烯上入射 C 原子来模拟缺陷石墨烯的辐射修复过程，并计算了 修复过程中石墨烯的势能变化曲线，揭示了环境温度和添加 C 原子的入射能量对 多空位缺陷石墨烯修复行为的耦合作用。发现相对较高的温度是缺陷石墨烯完美 修复的先决条件，但即使在足以实现完美修复的温度下，具有过高入射能量的碳 辐射也会导致石墨烯上缺陷结构的形成。 ② 通过计算石墨烯的势能曲面以及探针原子垂直靠近石墨烯过程中的势能， 研究了石墨烯自修复过程的原子吸附阶段，发现该过程主要由添加 C 原子的入射 速度决定。此外，我们通过对表面吸附有 C 原子的完整石墨烯进行驰豫，模拟了 简化的石墨烯重构过程，并通过计算模拟过程中微结构数量的演变，揭示了两种 修复机制 （“边缘生长”和“原子插入”机制）在不同温度下发挥的不同作用。 ③ 制备了更大尺寸的多空位缺陷石墨烯模型，选择能描述 C/Ni 系统和 C/Pt 系统的ReaxFF 势函数，模拟Ni 和Pt 原子催化修复多空位缺陷石墨烯的过程，通 过观察模拟结束时刻的原子构型图，研究了两者不同的催化修复效果，并计算了 Ni 和Pt 原子催化修复过程中石墨烯缺陷处5、6、7 元环的数量演变，发现两种金 属原子具有不同的催化能力。 ④ 模拟了部分典型结构变化过程，发现Ni 和Pt 原子分别会导致“环内跳出” 和“断环” 的局部结构转变，且在不同温度下表现出不同程度捕获碳链的能力。此外， 我们绘制了金属原子的迁移路线，并计算其迁移量，通过观察两种金属原子在面 内和面外不同的迁移行为，进一步研究了两者不同的催化修复机理。 本文的研究内容可以帮助我们理解多空位缺陷石墨烯的修复机理，以及金属 原子对缺陷石墨烯的催化修复机制，在理论上对选择合适的缺陷石墨烯修复的外 界条件以及催化剂种类具有指导意义。 关键词：多空位缺陷石墨烯；修复；碳辐射；金属原子；分子动力学模拟 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract Graphene is a kind of two-dimensional crystal made of one layer of C atoms. Perfect graphene excels in electricity, optics, thermodynamics and mechanics, but it is di icult to obtain defect-free graphene in ordinary factories. Defects will lead to the significant degradation of all aspects of graphene properties, so the repair of defective graphene is a subject worthy of attention. In this paper, the irradiation repair process of defective graphene was studied by large-sca