具有缺陷的石墨超滑机制建模与模拟

With the rapid development of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS), understanding the atomic-scale friction, lubricity and wear is very important. Superlubricity becomes a basic scientific problem. Superlubricity is a phenomenon where the friction coefficient is less than 0.001. A lot of experiments give the evidence of superlubrecity in graphite. In the commonly used Tomlinson model for the superlubricity, the graphite is stiff and has no defect. In fact, there are defects in graphite and the sliding motion may have some local properties. In graphite, dislocation, grain boundary, and dislocation network have been found in many experiments. Atomic-scale friction is the properties of the contact interface. So we predict the defects should have great effect on the superlubricity. We will build a new discrete model for graphite based on the atomic generalized Peierls-Nabarro model. Based on the discrete model, we will build a new model for the sliding motion in graphite. We will treat some sliding modtion with high energy barrier as rare event and find the transition path, transition state, and energy barrier by string method. Base on the data gotten by our new models and methods, we would like to provide the details of the sliding motion in graphite with defects and their effects on the superlubricity mechanism, which will give theoretical basis for the application of graphite in MEMS.

微电子机械系统的迅速发展对原子尺度下器件摩擦、润滑和磨损特性的研究提出了迫切要求，超滑机制的研究成为重要的科学问题。超滑是指摩擦系数小于0.001的润滑状态。原子尺度摩擦实验表明石墨具有超滑态。目前关于超滑发生机制研究的模型大都假设石墨无缺陷且是刚性的，如典型的Tomlinson模型。但石墨中的缺陷是必然存在的且运动可能具有局部性，实验观察到有刃型位错、晶界和位错网等。原子尺度摩擦是关于接触面的性质，因此位错等缺陷对晶体材料超滑态应该起着非常重要的作用。我们将基于晶体中的离散型广义Peierls-Nabarro模型建立石墨的离散模型，同时建立一个新的滑移模型，并结合string方法对具有缺陷的石墨滑动进行系统的数值模拟，给出这些缺陷在滑移过程中的运动规律，找出缺陷及其运动在滑动中的作用，对超滑机制的来源及规律进行有益的探索，为石墨超滑态在微电子机械系统中的应用提供理论指导。

石墨烯因其特殊性能，已经成为科学界和工程界最受关注的材料之一。无论采用什么方法，制备出来的石墨烯材料不可避免地存在缺陷。为分析石墨烯中的缺陷对其物理性能的影响，在原子尺度上研究了石墨烯中Stone Wales（SW）缺陷的两种主要运动，给出了运动路径、势垒和过渡态。用Peierls-Nabarro模型给出了石墨烯中Shuffle位错的初始结构，然后用NEB方法研究了位错的最优运动路径，给出了势垒和过渡态。String 方法是石墨超滑研究中要用到的主要方法之一，利用String方法分析了Ni交滑移机制受应力影响下的运动机制是如何变化的。不变测度是研究材料在稳定状态间变化的重要方法，我们利用最大熵方法、最小二乘法、分片线性Markov方法计算了映射的不变测度，并证明了这些方法的收敛性。量子力学、分子动力学和连续介质力学耦合的多尺度方法是研究晶体缺陷的重要方法。项目实施过程中研究了二维问题的多尺度耦合方法的后验误差估计、自适应方法的构造及其在晶体模拟中的应用。