富勒烯轰击石墨烯的分子动力学研究

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石墨烯自2004年被发现以来,因其优异的电气及机械性能而备受关注。近年来,为了寻求石墨烯的新特性,使用高能粒子或者团簇来轰击石墨烯已经成为理论上探索石墨烯性质的一种常见的方法。本文采用分子动力学方法,对C60在不同的条件下轰击石墨烯的过程进行了模拟。模拟内容主要包括三个方面,分别是C60以不同的速度垂直轰击石墨烯、C60以不同的初始角度轰击石墨烯和多个C60在石墨烯表面沉积。在C60以不同的速度垂直轰击石墨烯的模拟过程中,我们研究了使用不同的初始速度(13.7 km/s至15.7 km/s)的C60轰击石墨烯后,石墨烯中产生的缺陷类型。结果表明,轰击后石墨烯中产生的缺陷类型大致可以分为四类:Stone-Wales缺陷,单空位缺陷,多空位缺陷以及外层原子吸附缺陷。同时我们在破损的石墨烯中也观察到了自愈现象。在低速区域(速度小于14.5 km/s),石墨烯的自愈能力会随着温度的提升而增强。然而,在高速区域,C60的速度起了决定作用。为了修补石墨烯中因原子丢失而形成的空位缺陷,我们提出了一种物理方法。通过追踪丢失原子在初始时刻的位置,然后将初始时刻位置的原子缓慢的重新降落到石墨烯的空位缺陷处来修补石墨烯中的空位缺陷。在使用不同的初始角度轰击石墨烯的研究中,我们模拟了C60以与垂直石墨烯表面方向成5o、10o、15o、20o和30o的角度轰击石墨烯的过程。通过对轰击结果的统计及对C60动能及势能变化的分析。我们发现当轰击初始角度为5o、10o和15o时对石墨烯造成的损伤并不是随着角度增大而减小,反而有所增加。而出现这种现象主要是因为,随着角度的增大,C60在水平方向上动能增大,会将垂直轰击造成的小的缺陷撕裂为大的缺陷结构。而当角度进一步的增大到20o和30o时,C60的速度在垂直方向的分量不足以破坏石墨烯的结构,所以此时石墨烯中几乎没有缺陷存在。在研究多个C60在石墨烯表面沉积时,我们首先探究了不同的轰击接触面对轰击结果的影响。我们模拟了三种不同的接触面(六边形,五边形和双顶点)的轰击情况,结果表明随着轰击速度的逐渐变大,C60会依次出现吸附,反弹,吸附,反弹现象。虽然三种接触面下,轰击后C60的变化趋势相同,但是还是在吸附位置,反弹速度等方面有明显的不同。最后,我们采用两种方式模拟了多个C60在石墨烯表面的沉积过程,结果显示两种方式下,C60都最终在石墨烯表面排列成为周期性密堆的结构而不受石墨烯表面起伏的影响。
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