石墨烯相图和结构失稳机理研究

通过统计力学的预报，人们早就知道，原子形成二维平面结构是不稳定的，在任何温度的热扰动下，都会丧失原子的周期结构。然而，尽年来人们研发成功了单层二维石墨烯材料。而且发现，它们具有极其奇异的电导等光电性能，有望获得广泛的应用。通过详尽的实验。人们也发现，石墨烯其实是准二维材料，原子并不是排列在某一平面内，尤其，在不同外场的作用下，其原子排列的结构和形貌非常复杂，这又导致其性能变化很大。考虑到量子层次的行为对原子形貌和性能的至关重要的作用，我们拟发展微细观原子结构演化方程，并通过开展微分方程的收敛域等稳定性分析，定量预报在不同条件下，石墨烯中原子的结构和形貌，并进而建立石墨烯的相图。在本项研究中，我们也将系统开展石墨烯结构和性能的第一性原理计算工作和石墨烯中原子排布规律和形貌的定量实验研究。解释石墨烯结构和性能的特异性质。

石墨烯作为准二维材料，与三维材料相比，具有奇特的光、电、力、磁等性能，近年来引起人们的广泛关注。然而必须指出，石墨烯的形貌结构稳定性及相关决定因素尚未被深入研究。考虑到石墨烯的性能与形貌结构密切相关，特别在外场作用下形貌结构及性能变化很大，深入研究、分析石墨烯形貌结构稳定性及相关性能具有重要的意义。在本项目的支持下，课题组对有限温度以及外载荷作用下石墨烯的力学、热学性能以及材料稳定性机理等问题展开了系统研究，建立了适用于石墨烯等二维材料原子运动及分布的细观动力学模型。我们预报了石墨烯的相图及失稳条件，指出热振动对石墨烯的结构失稳具有重要的作用，并提出低维材料热振动稳定性的判断准则。与此同时，我们针对多种石墨烯结构，包括超晶格、隧穿结、电子波导等，深入研究了石墨烯电子传输等相关性能的可调控性。研究发现，外加力、电、磁载荷对石墨烯电子传输性能均具有显著的影响。基于这些结果，我们总结多种调控石墨烯性能的有效方案。在本项目资助下，课题组研究成果共发表SCI收录学术论文40余篇。总体而言，我们基本完成了本项目的既定方案和目标，研究结果更为进一步探讨石墨烯结构稳定性、相关性能及碳基电子器件设计开发提供理论基础。