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1、湘潭大学 硕士学位论文 基于Graphene条带的新型纳米结构：分子动力学研究 姓名：李爱华 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：钟建新 20080523 李爱华 湘潭大学硕士毕业论文 I 摘 要 Graphene 是一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，是理想的二维量 子体系， 已成为当今凝聚态物理学和材料科学中最热门的研究课题之一。 Graphene 条带作为一种新颖的碳基纳米材料引起了人们的极大关注。本文采用分子动力学 模拟方法，研究了锯齿型 graphene 条带和扶手椅型 graphene 条带的热稳定性，分 析了 graphene 条带与半导体 Si 原子、 金属
2、Au 原子复合体系的结构及其热稳定性， 发现了一些新颖的复合纳米体系。 研究了锯齿型 graphene 条带和扶手椅型 graphene 条带的热稳定性。 研究表明， 锯齿型 graphene 条带的熔化温度为 5000K 左右，扶手椅型 graphene 条带的熔化温 度为 4500K 左右。高温下锯齿型 graphene 条带比扶手椅型 graphene 条带更稳定。 锯齿型 graphene 条带和扶手椅型 graphene 条带的熔化都是从条带边沿开始的。 研究了 graphene 条带与半导体 Si 原子复合体系的结构及其热稳定性。研究发 现，半导体 Si 原子与 graphene
3、条带相互作用，Si 原子会吸附到 graphene 条带的边 缘，形成新颖的单原子链或纳米颗粒。Si 原子吸附到锯齿型 graphene 条带边沿， 在 300K 至 2000K 之间形成无规则的 Si 团簇；在 2000K 至 2800K 之间，当 Si 原 子等于带边不饱和的碳原子数时， 带边形成较为完整的 Si 单原子链结构； 在 2800K 至 3900K 之间形成含缺陷的硅链结构； 当温度高于 3900K 时 Si 原子逐渐替代条带 边沿的碳原子直至锯齿型 graphene 条带破坏。而 Si 原子吸附到扶手椅型 graphene 条带边沿，在 300K 至 3000K 之间形成非链
4、状的不定型的 Si 纳米结构。 研究了锯齿型 graphene 条带与金属 Au 原子复合体系的结构及其热稳定性。 研究发现，室温下 Au 原子吸附聚集到锯齿型 graphene 条带的表面，生成多种新 颖的纳米复合体系。 当 Au 原子在锯齿型 Graphene 条带表面的覆盖密度低于 13.72 时，形成 Au 纳米颗粒；当 Au 原子覆盖密度在 13.72 至 69.91 之间时，生成稳定 的 Au 纳米层结构；当 Au 原子覆盖密度大于 69.91 时，形成类面心立方的 Au 纳 米结构。计算不同温度下 Au586结构的 Lindemann 指数，发现 Au586纳米结构吸附 在锯齿型
5、 graphene 条带表面时的熔化温度比其单独存在时的高。 关键词关键词：Graphene 条带；分子动力学模拟；纳米复合体系；热稳定性 李爱华 湘潭大学硕士毕业论文 II Abstract Graphene, a flat monolayer of carbon atoms tightly packed into a two-dimensional honeycomb lattice, is a rapidly rising star on the horizon of materials science and condensed-matter physics. Graphene nan
6、oribbons have also attracted much attention. Using molecular dynamics simulation techniques, we have studied the thermal stability of zigzag graphene ribbons and armchair graphene ribbons. We have also studied the structures and thermal stability of composite nanomaterials combining graphene nanorib
7、bons with semiconductor and metal nanostructures and found a number of novel nanosystems with unique structural properties. Using the Lindemann parameter, we show that the melting temperature of zigzag graphene ribbons and armchair graphene ribbons are about 5000K and 4500K respectively. Zigzag grap
8、hene ribbons is more stable. Our results reveal that the melting of graphene ribbons always starts from its edges. We have studied the formation processes of silicon nanoparticles on edges of graphene ribbons. We found that, Si atoms in a gas state can be absorbed on the edges of zigzag graphene rib
9、bons, forming different types of silicon nanostructures under different temperature, namely, amorphous clusters, chain structures, and defective chain structures in the interval of 300KTt1，吸附在A类位置上的硅原子发生扩散 所需要的时间小于硅原子到达ZGNR边沿硅小岛有效作用区域的时间，却大于 硅原子吸附在硅小岛上扩散所需要的时间，ZGNR边沿容易形成带有缺陷的单原 子链结构；当T3900K时，t3逐渐趋于0
10、，说明在非常高的温度下吸附在A类 位置上的硅原子会蒸发成为气相原子，这与我们模拟中出现硅原子脱离A类位 置并替代碳原子的温度区间基本一致。对于AGNR，由于硅原子在其边沿有C、 D两类稳定的吸附位置，硅原子容易形成团簇结构。 通过采用经典热力学和统计物理学理论对Si原子吸附在ZGNR和AGNR表 面和条带边沿的动力学行为分析， 发现我们的模拟结果与根据经典热力学和统计 物理学理论分析得到的结果基本一致。 3.8 本章小结 我们采用分子动力学方法从原子尺度上模拟了随机分布的硅原子吸附到 ZGNR和AGNR边沿的生长过程，并分析了在不同温度和不同硅原子浓度下两 种条带边沿形成的硅纳米结构。 1、
11、对不同带宽带长的ZGNR和AGNR模型在不同温度下进行分子动力学模 拟，采用Lindemann指数开始偏离线性增长处作为GNRs熔化的判据，研究表 李爱华 湘潭大学硕士毕业论文 42 明，GNRs的熔化行为与条带边界构型及条带带宽有关， 条带越窄熔化温度越低， 并且GNRs的Lindemann熔化判据的临界Lindemann指数0.03 0.05， 这与纳 米颗粒和聚合物的熔化判据一致。依据Lindemann指数曲线在熔点附近的变化 趋势可以得出，ZGNR的熔化温度为5000 5500KK，AGNR的熔化温度为 4500 5000KK。高温下ZGNR比AGNR更稳定，并且ZGNR和AGNR的整
12、体 熔化是从条带边沿开始的。 2、通过对ZGNR-Sin体系进行分子动力学模拟，研究发现：硅原子在ZGNR 边沿A类位置的吸附能远大于在其表面T、H、B三类位置；在300KT2000K 内， 硅原子吸附到ZGNR边沿形成了分散的无规则的硅团簇； 在2000KT2800K 内，当硅原子与带边不饱和的碳原子数相当时，带边形成较为完整的硅单原子链 结构；当硅原子多于带边不饱和的碳原子数时，带边形成硅链结构的同时还在硅 链上形成分散的硅颗粒，其结构呈现无定型硅结构的特征；在2800KT3900K 内，条带边沿形成了带有缺陷的硅单原子链结构；当T3900K时，部分硅原子 逐渐替代条带边沿的碳原子直至ZG
13、NR被破坏，呈现混乱结构。 3、 通过对AGNR-Sim体系进行分子动力学模拟， 研究表明： 硅原子在AGNR 边沿C、D两类位置的吸附能相近且远大于在其表面T、H、B三类位置；在 300KT3000K内，当硅原子与带边不饱和的碳原子数相当时，硅原子无规律性 的吸附到带边C、D类位置附近逐步形成分散的无规则的硅团簇；当硅原子多于 带边不饱和的碳原子数时，硅原子优先吸附到带边C、D类位置，尔后在此结构 上逐步形成分散的无规则的硅团簇；当T3000K时，部分硅原子逐渐替代条带 边沿的碳原子直至AGNR被破坏呈现混乱结构。 随机分布的硅原子会扩散到GNRs边沿， 并吸附沉积在GNRs边缘形成新颖 的
14、硅纳米线或纳米颗粒结构，而最终的生成结构不仅与沉积的环境温度、沉积的 硅原子数有关，而且还与GNRs的边界构型有关。通过这些原子尺度上的研究， 对理解基于GNRs新型纳米结构的生长过程、控制生长条件、提供链结构的完备 性以及掌握这种纳米复合材料结构和稳定性规律具有重要意义， 结合实验手段制 备这类新颖的碳纳米复合材料， 将在纳米器件和自旋器件等低能源消耗领域具有 重要的应用价值。 李爱华 湘潭大学硕士毕业论文 43 第4章 基于锯齿型graphene条带的金纳米结构 4.1 引言 在第三章里我们介绍了随机分布的硅原子会扩散到GNRs边沿，并吸附沉积 在GNRs边沿形成各种新颖的硅纳米线或纳米颗
15、粒等一系列碳纳米复合结构。这 章我们将介绍Au原子吸附在ZGNR表面形成的新颖结构及其热稳定性。 Au在电子工业和尖端科学技术领域是极其重要的功能材料，在电子工业中 90用于表面镀层，镀金不仅可提高材料的耐腐蚀性，镀金还对红外光有强烈的 反射作用，广泛用于红外探测仪反导弹装置上，Au已成为现代卫星通讯仪器中 的关键材料。研究发现Au纳米颗粒具有独特的光学、电学性质，被广泛地应用 于生物传感、免疫分析、仿生学等领域。Au的最典型性质之一是其化学惰性， 常规尺寸的Au粒子被认为是一个催化性能较差的过渡金属，当Au被制成纳米级 超细粉末后其性能改变，显示出极高的化学活性和催化性能，Au的表面催化作
16、用得到了广泛的应用。由于Au很难被高分散地负载于载体表面，制备成分散度 很高的催化剂，这影响其在催化研究中的地位，利用GNRs作为催化剂载体，形 成Au-GNRs复合材料可以较好的解决这个问题。由于Au原子与石墨碳原子间的 相互作用很弱，Au原子沉积在石墨表面能形成粒子状的稳定结构。实验上利用 真空沉积法在高定向石墨(Highly oriented pyrolytic graphite，HOPG)基底表面制 备了Au纳米粒子，在不同温度退火后Au纳米粒子在HOPG基底平台上形成了间 距均匀、结构稳定的准一维Au粒子链和Au纳米线92。这章我们将探讨Au原子吸 附在ZGNR表面形成的一系列新颖的碳纳米复合结构。 4.2 势模型与模拟参数 在分子动力学模拟中关键是选取合适的势模型并对运动方程采用有效的积 分方法。模拟ZGNR表面附近金原
