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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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碳纳米材料与金属复合结构中空位缺陷产生和作用机制的理论研究

马佳文  
【摘要】:从上个世纪90年代开始,碳纳米材料就成为了很多前沿领域的研究热点,这主要归功于其独特的结构和优异的物理、化学性质。碳纳米材料主要包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管和二维材料石墨烯等,由于其独特的几何结构特性,在当今新型功能材料、微纳电子学器件等高新领域有着非常广阔的应用前景。例如,在新能源的核电池领域,辐射损伤所致的电池效能和寿命降低一直是一个棘手的问题,美国研究者Liviu Popa-simil提出了基于碳纳米管和金属复合材料的核电池设计方案,来实现核能到电能的高效转换(设计转化效率高达50%),其设计中就是利用了碳纳米管的耐辐照特性。本文的研究工作,就是基于这样一个设计方案,采用分子动力学方法,进一步研究了多壁碳纳米管中包覆金属后,对整体耐辐照性能的影响。同时又考虑了辐照损伤所产生的单空位缺陷,对石墨烯与金属的复合材料的稳定性以及其中碳原子和金属原子结合强度的影响。首先基于分子动力学的方法,本文通过构建三层碳纳米管中包覆金属的模型,并在100eV-1000eV的能量范围内,模拟用碳原子轰击整个体系,得出了辐照后体系中产生的配位缺陷、完美结构缺陷(perfect structure defect,pst缺陷)[1]和溅射原子的数目,并统计了总的辐射损伤量,与同样体系中,没有金属内嵌的情况作了对比。结果表明,在三层碳纳米管中内嵌金属铜后,整个体系的辐射损伤量有明显降低,从而提高了整体的耐辐照性能,同时也验证了碳纳米管材料在核电池中应用的可行性。本文运用密度泛函理论,研究了单空位缺陷对石墨烯和金属复合材料中碳原子和镍原子结合强度的影响机理,探讨了不同位置的缺陷所产生的不同的作用。计算时,我们选择了与石墨烯晶格匹配最接近的金属镍,使得石墨烯在Ni(111)面上形成1×1的结构,构建了6层镍原子和一层石墨烯的4×4的模型。根据镍与单层石墨烯结合的相对位置,我们构建了四种不同的结构,并分别模拟了在其中引入单空位缺陷后,体系的结构变化,最终发现,缺陷的引入,增强了缺陷趋于的石墨烯层和第一层Ni的结合,进而使得整个体系更加稳定;不同的缺陷位置也有不同的影响,top位的缺陷比hollow位缺陷对二者结合的加强更加明显。综上所述,本论文基于分子动力学的方法,模拟研究了碳原子轰击碳纳米管包覆金属这个模型体系,初步获得了结构缺陷与辐射损伤量的变化关系。论文通过运用密度泛函理论,研究了单空位缺陷对石墨烯和金属复合材料中碳原子和镍原子结合强度的影响机理,探讨了不同位置缺陷所产生的作用差异性。这些研究结果可为今后进一步开展石墨烯与金属的界面结合研究提供一定的理论参考。基于目前的研究工作,未来可开展更加系统性的研究,如研究除铜和镍之外的金属原子与石墨烯材料的结合强度与缺陷的关系等。
【关键词】:碳纳米管 石墨烯 分子动力学 密度泛函理论 辐照损伤
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;O613.71
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 碳纳米材料11-14
  • 1.1.1 碳纳米材料的种类及性质11-13
  • 1.1.2 碳纳米材料的辐照损伤13-14
  • 1.2 碳纳米材料与金属的复合结构14-16
  • 1.2.1 碳/金属的相互作用14-15
  • 1.2.2 碳/金属复合材料的应用举例15-16
  • 1.3 研究现状与研究意义16-19
  • 1.3.1 内嵌金属的多壁碳纳米管辐照损伤研究16-17
  • 1.3.2 单空位缺陷对石墨烯/金属结构稳定性的影响17-19
  • 第二章 理论研究方法19-27
  • 2.1 密度泛函理论19-24
  • 2.1.1 多粒子体系的薛定谔方程19-20
  • 2.1.2 密度泛函理论20-22
  • 2.1.3 交换关联泛函及其近似方法22-24
  • 2.2 分子动力学方法24-27
  • 2.2.1 分子动力学方法简介24-25
  • 2.2.2 分子动力学运动方程25-26
  • 2.2.3 求解运动方程的积分算法26-27
  • 第三章 内嵌金属的多壁碳纳米管辐射损伤研究27-39
  • 3.1 引言27-28
  • 3.2 研究模型与方法28-31
  • 3.3 缺陷与损伤的研究分析31-38
  • 3.3.1 配位数缺陷分析32-34
  • 3.3.2 溅射原子数分析34-35
  • 3.3.3 pst缺陷与辐射总损伤分析35-38
  • 3.4 本章小结38-39
  • 第四章 单空位缺陷对石墨烯/金属复合结构的影响研究39-49
  • 4.1 引言39-41
  • 4.2 研究模型与方法41-42
  • 4.3 计算结果与讨论42-47
  • 4.3.1 优化后的几何结构42-44
  • 4.3.2 结合能讨论44-45
  • 4.3.3 电子结构分析45-47
  • 4.4 本章小结47-49
  • 第五章 总结与展望49-51
  • 参考文献51-55
  • 研究成果55-57
  • 致谢57

【参考文献】
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【二级参考文献】
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