多晶石墨烯中晶界结构的热稳定性以及超长形变的理论研究

Graphite is a stable thermal form of carbon at room temperature and atmospheric pressure.The graphene synthesised in experiments contains defects inevitably，and these defects form grain boundary. The grain boundary’s effect on physical propertise of graphene is unignored, and become the hot research topics in condensed matter physics and material science.To study the thermal stability of grain boundary will help us to understand exsiting physical theory deeply and perfectly, and construct a intuitive relation between structure and physical propertise, and guide the materials’ application. The object will use molecular dynamics including classical, Monte Carlo method and tight-bonding molecular dynamics as main research methods, study the therml stability and superelongation of grain boudaries in graphene . We hope that our work can achieve several goals: 1) giving temperature's affect on mechanics behavior of grain boundary in graphene; 2) the structure's evluation of grain boundary at high temperature; 3) the possible mechanism of graphene's superelongation; finally solving the theoretical problem in application of graphene nano-material, to supply helpful theoretical supports to large-scale production of nano-device with purpose.

石墨烯是碳在常温和常压下稳定的热力学形态。实验上制备的石墨烯中不可避免的存有缺陷，这些缺陷形成晶界。晶界对石墨烯物理性质的影响不可忽视，其特性研究是凝聚态物理领域和材料科学领域的研究热点。对晶界的结构热稳定性进行研究，将有助于我们更加深化和完善地理解已有物理理论，建立晶界结构与物性的直观关系，从而更好地指导实践活动。本项目将以分子动力学（包括经典分子动力学，蒙特卡洛方法以及紧束缚分子动力学）为主要的研究手段，探讨石墨烯中晶界的热稳定性以及可能的超长拉伸形变过程。我们预期找出1）温度对晶界结构力学性质的影响；2）高温下晶界结构的演化机制；3）含晶界石墨烯的可能超长拉伸的机制。最终解决石墨烯纳米材料在应用过程中遇到的理论问题，为大规模有目的地加工纳米器件提供有力的理

本项目利用分子动力学方法研究了含不同晶界结构的多晶石墨烯在有限温条件下的拉伸过程，揭示了温度对含晶界结构多晶石墨烯的影响。我们的研究结果表明：（1）、对于所有的多晶石墨烯，温度降低了它们的极限拉伸强度。然而对含zigzag-oriented和armchair-oriented的晶界结构多晶石墨烯而言，它们的极限拉伸强度随温度的变化规律是不一样的。(2)、温度大于800K时，温度对位错角小于等于16.4度的zigzag-oriented晶界结构影响比较大，此时多晶石墨烯的极限拉伸强度随着位错角度的增加而减小，与低温条件下的情况恰恰相反；位错角为15.2度的armchair-oriented晶界结构在温度为1000K条件下的拉伸过程中，表现出不同于低温条件下的力学行为，其晶界中的5 -7缺陷对演化成大空洞缺陷，而大空洞缺陷又演化为若干条碳原子链，最终碳原子链的断裂导致了多晶石墨烯的拉伸断裂。这打破了含armchair-oriented晶界多晶石墨烯极限拉伸强度随位错角增加而增加的反常规律，同时也为实验室制备碳原子链纳米器件提供了一条可行方案。以上结果已经总结成文，将要发表。再此基础上，我们又关注了含晶界多晶石墨烯在大于1000K的温度和大应力条件下的演化过程。我们已有的研究结果表明有三种演化机制：（1）、晶界结构内5-7缺陷的滑移机制；（2）、晶界结构内出现大空洞缺陷以及碳原子链的机制；（3）、晶界结构外出现Stone-Wales缺陷的机制。这些机制共同导致含晶界石墨烯在高温条件下能够实现比低温条件下更长的拉伸。这部分内容也将总结成文。总之，我们按照项目计划开展了相关的研究工作，取得了不错的研究结果。