石墨烯分子模拟研究进展课件.ppt

1、化工学院制药工程周宝强2012207368石墨烯（Graphene）石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料.石墨烯的发现 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的性质 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室

2、温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。计算机模拟技术 计算机分子模拟技术是20世纪90年代才发展起来的一门新兴学科。这项技术可以从原子、分子的角度研究分子的结构与行为，进而模拟体系的各种物理化学性质，从微观的角度揭示结构与性质的关系，以此来弥补具体实验手段的不足。对石墨烯的分子模拟 主要方法主要方法：分子力学 分子动力学 量子力学 蒙特卡罗 模拟领域模拟领域：力学性能 电学性能 储氢性能 场发射性能力学性能 石墨烯是目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，人类已知强度最高的物质，比钻石钻石还

3、硬，强度比世界上最好的钢铁还要高100倍。力学性能 Sakhaee-Pour等采用分子力学模拟的方法，将分子性能等价为空间梁结构，研究了石墨烯的弹性性能，得到了石墨烯的杨氏模量为0.992-1.042TPa。对于锯齿型和扶手椅型石墨烯薄膜的拉伸性能，韩同伟等进行了一系列的分子动力学模拟(采用Tersoff势函数)研究，得到以下数据。力学性能电学性能 电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electron mobility）。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在10 K和100 K之间，迁移率与温度几乎无关，可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发

4、的散射。在室温时，石墨烯的声子散射体造成的散射，能够约束迁移率上限。与这数值对应的电阻率为10E-6 cm，稍小于银的电阻率1.59 E-6cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是极其优良的导体。电学性能 稳定的晶格结构赋予石墨烯优异的导电性能。石墨烯的电子能带结构如图，石墨烯的每一单位晶格有2个碳原子，导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点，在这些相交点附近其能量与波矢量呈线性关系。石墨烯中的电子和空穴被称为狄拉克费米子，在狄拉克点附近其能量为零，故从这种意义上说石墨烯的带隙为零，为零带隙的半导体材料。电学性能 分子模拟技术在石墨烯电学性能中的应用广泛，量子力学随机模拟是一种研究

5、纳米尺度器件电子传输性能的新方法，ShoichiSakamoto等主要探讨了纯石墨烯和掺杂石墨烯的电子转移能力，采用Ito随机微分函数进行随机过程的时间演化，通过分析电子运动得出结论：电子的运动依赖于随机分布的特征函数和分子轨道的形状。而电迁移率主要受掺杂原子的影响。经典的半经验量子计算发现石墨烯基纳米带的局部曲率在有缺陷的部位较大。电学性能 许多课题组在研究石墨烯电学性能时采用了分子动力学模拟的方法。ZhaoHaijing等就运用该方法模拟研究了石墨烯超分子的电学性质和分子间相互作用，发现石墨烯的热稳定性和电子性质可以通过石墨烯薄片上连接的烷基链的种类和长度来调节。当石墨烯超分子上连接4个烷

6、基时，其电子态的分布在0-333K之间只有微小的变化，而在333353K之间随温度的升高而急剧增加；当连接6个烷基时，其电子态分布几乎不随温度的变化(0353K)而变化。储氢性能 氢能是一种绿色、高效的可再生能源，对其开发主要集中于生产、储存、运输和应用方面。由碳原子SP2杂化构成的二维蜂 窝状结构的石墨烯，其比表面积达到263 103 m2g，而且表面碳原子比例为 100，是很好的储氢材料。储氢性能 张明等采用正则系综蒙特卡罗方法，在77473K、01-10MPa压强下，对石墨烯吸附氢分子进行模拟计算。结果表明，低温及高压条件有利于储氢，10MPa压强下，随着温度的升高，等量吸附热先减少后增

7、加，当温度为291K时，等量吸附热值最低。L.A.Openo等对石墨烯在汽车燃料电池中的储氢性能进行研究，发现氢从石墨烯上解吸时石墨烯具有很好的热稳定性，这不满足燃料电池材料的要求，因此在氢燃料电池方面石墨烯很难被看作是一种很有前途的储氢材料。场发射性能 科学家用热丝化学气相沉积法制备了石墨烯纳米薄片，并测定了其电子场发射开启电场强度约17Vum，证实了石墨烯具有一定的场发射能力。这是由于石墨烯具有独特的电子结构、大的表面积、锋利的边缘等所致。场发射能力 ZhangShengli等运用密度泛函理论研究了石墨烯ZnO复合材料的电子结构和场发射性能，研究结果认为复合材料的功函数随着电场的增加而线性

8、减少，表明场发射性能在增强，而且其电离电势也随着电场的增加而急剧减少，进一步证明了材料的场发射性能增强。碳海绵 2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。他们用石墨烯制造出了气凝胶“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从现在公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。碳海绵 因此，可想而知对石墨烯的分子模拟研究有了新的领域-对碳海绵进行分子研究。图为100立方厘米大小的“碳海绵”“踩”在狗尾巴草上，纤细的草须一点都没有被压弯。展望 原子模拟技术已经在石墨烯力学性能、电学性能、储氢性能以及场发射性能等方面有了广泛的应用，对石墨烯其它性能的模拟也有文献报道，如热学、磁学等性能。这些模拟技术对石墨烯的实验研究具有较好的指导意义，当然不同的课题组由于选择的模型以及方法不同，会产生不同的结果。这使得人们更加积极地去研究和寻找适合石墨烯的研究方法，相信随着计算机技术的不断发展，实验表征手段和模拟方法的不断完善，分子模拟技术将会进一步推动石墨烯的研究与应用。谢谢观赏