石墨烯同軸電纜型納米復(fù)合材料的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、2004年,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授Geim等用一種極為簡單的方法剝離并觀測到了碳元素的準(zhǔn)二維材料——石墨烯,其特殊的結(jié)構(gòu),使其具有完美的量子隧道效應(yīng),半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì),引起了科學(xué)界巨大的興趣。在石墨烯發(fā)現(xiàn)不到十年的時間內(nèi),有關(guān)石墨烯的研究已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)報道,大有趕超碳家族另一新奇材料——碳納米管之勢。由于碳納米管、石墨烯等納米材料尺度非常小,要對其性能進(jìn)行表征非常困難,因此利用分子模擬技術(shù)在此類研

2、究中具有獨特的優(yōu)勢。本文旨在利用分子動力學(xué)模擬的方法研究碳納米管與石墨烯,以及納米線與石墨烯之間的相互作用,對形成碳納米管/碳納米卷以及納米線/碳納米卷同軸電纜型納米復(fù)合材料的過程進(jìn)行描述,并對其機理進(jìn)行解釋。
　　 首先,基于COMPASS力場的分子動力學(xué)模擬提供了一種簡單的通過碳納米管誘導(dǎo)單層石墨烯卷曲制備新穎的碳納米管/碳納米卷同軸電纜型納米結(jié)構(gòu)的方法。研究了石墨烯的長度、手性等因素對碳納米管誘導(dǎo)石墨烯納米帶自卷曲過程的影

3、響。研究表明,碳納米管的直徑對其能否誘導(dǎo)石墨烯納米帶自卷曲形成碳納米管/碳納米卷同軸電纜型的納米結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。只有當(dāng)碳納米管的直徑大于某一極限值(≈10(A))時,其與石墨烯納米帶之聞才有足夠的范德華相互作用使石墨烯納米帶自卷曲形成碳納米管/碳納米卷同軸電纜型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,碳納米管與石墨烯之間的結(jié)合能隨石墨烯納米帶長度的增加而增大,且較長的石墨烯自卷曲形成類似于多壁碳納米管狀的多層碳納米卷。在本研究中,形成的碳納米

4、卷的直徑和手性可以通過改變碳納米管的直徑和石墨烯納米帶的手性來控制。并且我們發(fā)現(xiàn),盡管石墨烯和碳納米管二者的手性都對卷曲過程的影響很小,然而手性的改變使我們能夠得到金屬/半導(dǎo)體,金屬/金屬,或者半導(dǎo)體/半導(dǎo)體等類型的異質(zhì)或同質(zhì)結(jié)。
　　 其次,我們還研究了八種不同納米線誘導(dǎo)石墨烯自卷曲形成納米線/碳納米卷同軸電纜型復(fù)合納米線的過程。研究結(jié)果表明,能夠誘導(dǎo)石墨烯自卷曲的納米線其半徑同樣存在一個的極值。Si,Ni,Pd,Au,Pt五

5、種納米線的極限半徑為5(A),Cu和Ag的極限半徑為6(A),而Al的極限半徑為7(A)。納米線與石墨烯之間的結(jié)合能隨石墨烯長度地增加而增大,其中Si納米線與石墨烯之間的結(jié)合能最小,因而導(dǎo)致Si納米線與形成的碳納米卷之間的層間距最大。石墨烯的寬度對納米線與石墨烯之間的結(jié)合能影響很小,基本可以忽略。由于存在不同類型的石墨烯和不同類型的納米線,這樣能夠形成多種異質(zhì)的同軸電纜型納米結(jié)構(gòu),該納米結(jié)構(gòu)有望在諸如防腐蝕領(lǐng)域,光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,集成電路,