石墨烯纳米结构材料热学性质的研究

Graphene is a two-dimensional crystalline material in honeycomb lattice, which is formed by the sp2 hybridizations. Due to its unusual structure and physical properties, it has become a major issue of modern condensed-matter physics and material research. For its unique thermal properties graphene may become an important next-generation candidate material of nanoscale integrated circuits. There are few theoretical studies on thermal properties of graphene, especially perfect graphene. Here our project is focused on the lattice vibration of defect graphene, graphene on substrates, and multilayer graphene, which are more close to the real material. We will study thermal properties of grapheme by combining first-principles with lattice dynamics methods. The research details include: i) Study the phonon dispersion, density of states, thermal capacity, and thermal conductivity of monolayer graphene, and further consider the influences of the defects’ concentration and spatial distributions on the lattice vibration of monolayer graphene; ii) Design different kinds of one-dimensional and two-dimensional superlattice graphene structure materials and study how the defects and lattice structure parameters affect the systems. iii) Study the phonon dispersion and vibrational properties of bilayer and trilayer graphene and discuss the influences of different defects and stackings on thermal properties of multilayer graphene. The researches of the project are beneficial to deep understanding of the thermal properties of graphene materials and provide theoretical guidance for experimental preparation of graphene nano-structure materials.

石墨烯是一种由碳原子sp2杂化而形成的蜂窝状二维晶体结构，目前已成为凝聚态和材料研究领域的热点之一。石墨烯独特的热学性质使其有可能成为纳米集成电路散热器件重要候选材料。但是石墨烯热学性质的研究相对较少，而且一般以完美石墨烯为主，本项目以缺陷、衬底和少层石墨烯的晶格振动为主要研究对象，更接近实际材料。拟采取第一性原理与晶格动力学相结合的方法，开展石墨烯热学性质的研究，主要内容包括：(1)研究单层石墨烯声子谱、态密度、热容和热导率，并进一步考虑各种缺陷浓度和空间分布对晶格振动的影响；(2)设计单层石墨烯的一维、二维各种超晶格结构材料，考虑缺陷和晶格结构参数对该类系统的影响；(3)开展对两层、三层等少层石墨烯晶格振动的研究，考虑缺陷、堆积方式等对热学性质的影响。本项目的研究有利于深入理解石墨烯材料的热学性质，并为实验制备石墨烯纳米结构材料提供理论指导。

近年来，二维层状纳米材料被人们广泛关注和研究，石墨烯作为一种典型的二维晶体材料，以其独特的结构特点和优异的性能在物理和材料界引起了很大的轰动，人们从理论和实验方面均对其进行了研究，发现石墨烯在纳米器件的开发和应用方面均有很高的应用前景, 石墨烯独特的热学性质使其有可能成为纳米集成电路散热器件重要候选材料。本项目采取第一性原理与晶格动力学相结合的方法开展了石墨烯晶格振动及其热学性质（热容、自由能和熵）的研究，主要内容包括：.1）采用晶格动力学方法研究了石墨烯的声子色散关系、态密度、热容、自由能和熵等性质，并进一步考虑各种缺陷浓度和空间分布对晶格振动及其以上性质的影响。为了更好地理解缺陷是如何影响态密度的，我们首先建立了晶格振动的解析表达式，用数值方法讨论了缺陷对声子的影响，计算结果表明缺陷能够产生锯齿状的态密度，范霍夫奇异峰的消失，以及在低频区域出现共振峰。至于缺陷的浓度和方位对声子态密度的影响，缺陷不仅能够引起热容的增加，也可导致熵增加，原因都在于低频的共振峰。.2)在计算方法上，对于低空位密度的石墨烯来说，我们通过结构优化，然后修改力常数的办法，利用晶格动力学计算出的态密度与未修正力常数的态密度几乎完全一样，也就是说，低空位密度下，用未优化的结构计算态密度和其它有关的性质在一定程度下是合理的。.3) 采用第一性原理方法，计算了单层、双层（AB）和三层（ABA和ABC）石墨烯的声子谱和振动性质，计算发现，由于层间弱的耦合，使得两层和三层石墨烯的能量最高的光学支在Gamma点分别分裂成两支和三支，双层分裂的间隔大约为5 cm-1，而三层因其堆积方式的不同间隔为2-5 cm-1之间；而且两层和三层的最大的光学支频率比单层分别高出12 cm-1和18cm-1。同时这些结构也具有不同的拉曼谱，可作为其结构的指纹。