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石墨烯中缺陷修复机理的理论研究

王崇  
【摘要】:石墨烯作为第一个被发现的二维晶体,近来成为最热门的材料之一。石墨烯的平面六角形蜂窝结构使其能够成为其它重要碳同素异形体的构建单元。例如,石墨烯可以堆叠成三维的石墨,可以卷成一维的纳米管,可以包裹成零维的富勒烯。正是石墨烯的这种独特的结构决定了它诸多超出想象的优异性质。石墨烯与其它材料相比具有如下优点:高电子迁移率,高强度,高导热和导电性能,这些优异的性质可能使其成为硅的替代品。 近年来,许多石墨烯合成方法被提出。然而,缺陷总是不可避免的存在于石墨烯中。这些缺陷的存在大大降低了石墨烯的许多人们所需要的性能。例如,缺陷的存在降低了石墨烯的导热,导电性能,机械强度,载流子迁移率等极为重要的性质。因此,缺陷的存在阻碍了石墨烯技术的发展与应用。如何修复缺陷,恢复完整石墨烯所应具有的出色性质,将是碳纳米材料领域亟待解决的问题。本文通过量子化学计算方法研究了有关石墨烯中几类缺陷的修复机理。本论文主要成果如下: (1)缺陷的存在破坏了石墨烯许多优异的性质,于此我们提出一类在石墨烯生长过程中重要的缺陷修复机理,即在等离子化学气相沉积(PECVD)生长石墨烯过程中,作为碳源的甲烷分解产生的碳氢自由基CHx(x=1,2,3)可作为石墨烯中单空位缺陷修复剂。整个修复过程历经三步:1)化学吸附碳氢自由基,2)碳氢自由基中的碳原子并入石墨烯中的缺陷位,同时余下的氢原子吸附在石墨烯表面,3)去除石墨烯表面的氢原子来复原石墨烯的完美六角形结构。本文研究的这类反应总反应没有能垒,并且对于CHx(x=1,2,3)分别放热530.8,290.7,159.0kcal mol-1。这表明用碳氢自由基修复石墨烯中的单空位缺陷的反应是易于进行的。因此,用PECVD方法之所以生产出高质量的石墨烯可能是由于碳氢自由基独特的修复作用。 (2)最近的实验表明用乙烯和乙炔做碳源制备石墨烯可大大减少缺陷的含量。然而,有关缺陷如何减少的内在机理是不清楚的。于此,我们用密度泛函理论计算揭示了乙烯与乙炔修复石墨烯中双空位缺陷的机理。乙烯与乙炔的入口吸附能垒分别为28.8/25.3kcal mol-1,最终强烈放热189.1/243.2kcal mol-1。考虑到石墨烯生长通常是在高温条件下进行,因此双空位缺陷的修复可以在有乙烯和乙炔存在的情况下顺利进行。所以我们提出乙烯和乙炔做碳源的合成技术之所以合成优质的石墨烯,这可能源于乙烯和乙炔既可以作为碳源也可以作为缺陷修复剂的双重作用。 (3)在众多的碳纳米材料中,Stone-wales(SW)缺陷是一类典型的拓扑结构缺陷。特别地,SW缺陷的复原能垒高达约6eV。最近理论工作表明通过吸附过渡金属可降低SW复原能垒,在一系列考虑的过渡金属中,SW缺陷的复原能垒最低降到2.86eV,但是依旧很高。本文用密度泛函理论计算,我们发现通过与之前不同的反应机理,吸附碳原子能大大降低SW缺陷的复原能垒到20.0kcalmol-1(0.87eV),这使得SW缺陷的修复实验上可行。修复后产生的碳吸附原子可以很容易的在石墨烯表面迁移。因此,如果没有终止反应存在,一个碳吸附原子原则上可以催化修复石墨烯上所有SW缺陷。并且在石墨烯生长过程中,这个机理可能已经起作用了。与此同时,我们提出在石墨烯的后续处理中,吸附碳原子可被用于催化SW缺陷的修复。对石墨烯生长的模拟应当包括碳吸附原子对SW缺陷的催化修复作用。 (4)最近的实验和理论提出的缺陷修复机理大多需要在较高条件下进行(例如石墨烯生长条件),这不利于石墨烯产品后处理与纯化。因此,寻找一些常温修复剂是十分必要的。零价碳自从被发现以来就受到了广泛关注,其独特结构的使其能稳定存在,一些零价碳已经被成功的合成。本文采用零价碳修复石墨烯中存在的缺陷,结果表明缺陷可成功被零价碳修复,而且总包反应是没有能垒的,这表明我们找到了一类常温下可修复石墨烯中缺陷的新一类碳纳米材料缺陷修复剂。 (5)随着越来越多的零价碳复合物被预测与合成,这种含有特殊价态碳原子的复合物吸引了越来越多科学家的注意。氮杂环卡宾NHC作为一类极其重要的配体,在有机金属化学领域占有重要地位。由NHC和过渡金属组成的复合物TM-NHC在催化和加氢等许多方向取得显著成效。因此,2007年的一个理论研究报道了NHC被引入作为配体可组成零价碳复合物,随后这一复合物被试验所合成并表征。于此,本文采用零价碳复合物C(NHC)2作为石墨烯缺陷修复剂,结果表明C(NHC)2可成功修复石墨烯中的单空位缺陷。


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