石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟

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1、第59卷第5期2010年5月物理学报Vol.59，No.5，May，20101000-3290/2010/59(05)/3408-06ACTAPHYSICASINICA2010Chin.Phys.Soc.*石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟1)2)韩同伟贺鹏飞1)(江苏大学理学院，镇江212013)2)(同济大学航空航天与力学学院，上海200092)(2009年7月19日收到;2009年9月3日收到修改稿)分别采用REBO势和AIREBO势对单层和多层石墨烯的弛豫性能进行了分子动力学模拟，模拟了石墨烯在弛豫过程中的动态平衡演化过程.模拟结果表明

2、，理想的自由状态下，单层石墨烯薄膜并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不明显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯的稍小.关键词:石墨烯，弛豫性能，不平整性，分子动力学方法PACC:6855，6120J，6185，6200均通过实验发现单层石墨烯会产生一定的褶皱，但1.引言由于实验上的困难，石墨烯不得不嵌入于三维空间(附着在微型支架或置于SiO2衬底上)，在自然状态完美的石墨烯(graphene)是由单层六角元胞碳下石墨烯是否为完美的平面结构，还亟待进一步原子构成的蜂窝状二维晶体，是继富勒

3、烯和碳纳米证实.［12］管之后发现的又一种新型低维碳材料，是零维富勒基于分子动力学方法的计算机数值模拟可烯(C60)，一维碳纳米管(CNT)，三维石墨以克服具体实验方法上的困难，并可以从原子、分［1］(graphite)等碳的同素异形体的基本结构单元，被子层次考察材料和结构的动态变化特性，在研究石认为是具有战略意义的新材料.单层石墨烯于2004墨烯在自然状态下的结构性能具有不可替代的优［2，3］年由Novoselov和Geim小组首先成功制备，近势.近年来国内外学者采用分子动力学方法对纳米年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活尺度材料(如S

4、iC纳米丝，石墨烯及其碳的同素异形［4］［5，6］跃的研究前沿.根据Mermin-Wagner理论，长体碳纳米管等)的弛豫性能、力学性能等进行了一［13］的波长起伏会使长程有序的二维晶体受到破坏.另定的研究.田建辉等采用分子动力学方法研究了［7，8］［14］外，根据弹性理论，二维薄膜在有限温度一维SiC纳米杆的弛豫性能.韩同伟等采用分子(>0K)下表现出不稳定性，尤其会发生弯曲现象.动力学方法对石墨烯的拉伸性能及其应变率相关［15］［16，17］因此过去科学家们一直认为严格的二维晶体不可性进行了研究.Yakobson等、倪向贵等采用［2，3］能

5、存在.单层石墨烯的成功制备震惊了物理界，分子动力学方法对碳纳米管的拉伸和压缩性能进［18—20］使科学家们对“完美二维晶体结构无法在非绝对零行了研究.袁剑辉等研究了各种结构缺陷和端度下稳定存在”这一基本论述提出了质疑.口接枝对碳纳米管弹性性质的影响.［2，3］Novoselov等首次采用机械剥离法(mechanical本文采用分子动力学方法，分别采用REBOcleavage)成功获得了真正意义上的二维单层石墨烯(reactiveempiricalbondorder)势和AIREBO片层，而且可在外界环境中稳定地存在.目前，对石(adaptive

6、intermolecularreactiveempiricalbond墨烯的研究大部分基于石墨烯为完美的二维平面order)势对单层和多层石墨烯的弛豫性能进行了分［9，10］［11］结构这一假设.2007年，Meyer和Ishigami等子动力学模拟，模拟了石墨烯在弛豫过程中的动态*上海市科委基础研究重点项目(批准号:09JC1414400)资助的课题.通讯联系人.E-mail:ph232@tongji.edu.cn5期韩同伟等:石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟3409平衡演化过程，来考察石墨烯在自然状态下的本质的蜂窝状二维晶体，其中碳—碳键长

7、大约为结构特征.0.142nm.本文模拟单层和多层(二层和四层)石墨烯薄膜的弛豫性能，模拟中选用的石墨烯结构如2.物理模型及模拟方法图1所示，多层石墨烯的堆积方式为Bernal(AB)［21，22］堆积，多层石墨烯之间的距离为石墨晶体的［23—25］层间距0.335nm.模型尺寸均为19.6800nm2.1.石墨烯薄膜模型×19.4579nm，原子个数分别为14812，29624，完美的石墨烯是由单层六角元胞碳原子构成59248.图1单层和多层石墨烯结构示意图(a)单层石墨烯;(b)双层石墨烯;(c)四层石墨烯RAE是体系的总能量，V和V分别是

8、对势的排斥项和2.2.模拟方法及过程c吸引项，f是光滑截断函数，bij为反映多体作用的键分子动力学方法的基本原理是将N个原子组序函数，其具体形式见文献