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石墨烯薄膜杨氏模量的分子动力学研究

谭新君  
【摘要】:石墨烯具有出色的光学、电学、磁学及力学方面的性质,有着广阔的应用前景,可被用于质量和气体传感器、微型机械发电机、纳米复合材料、晶体管、半导体设备、纳米微电子机械系统等领域。而石墨烯的力学性质将直接影响到其各方面性能的发挥,也制约着石墨烯纳米装置的稳定性和可靠性。 本文采用分子动力学(MD)方法利用圆膜弹性理论对独立式悬置圆膜石墨烯进行模拟计算获得石墨烯的杨氏模量。研究的主要内容如下: 1.按扰度的大小的不同采用分阶段研究的方法研究了单层石墨烯的杨氏模量。薄膜在扰度较小时和扰度较大时具有不同的弹性反应特征。在扰度较小的情况下,压头对薄膜形变的影响比较小,适用点加载理论,而在扰度较大的情形下,压头的大小对石墨烯的形变状态的影响比较大,应该考虑球形压头大小对杨氏模量计算的影响。本文采用点加载模式对扰度较小时的数据组进行了分析以及采用球形压头加载模式对扰度较大时的数据组进行了分析,得出单层石墨烯的杨氏模量为1.00±0.05TPa。 2.分析了压头的半径的大小、圆膜尺寸的大小以及薄膜的预应力的不同对薄膜的杨氏模量计算值的影响,分析比较了采用加载作用力与薄膜扰度的关系为立方关系或者线性项加立方项的对应关系所获计算结果的异同。 3.研究了多层石墨烯的杨氏模量,提出了等效压头的概念。利用扰度较大时的数据组进行分析获得多层石墨烯的杨氏模量,得到了1-5层石墨烯的杨氏模量值为1.06TPa,0.82TPa,0.78TPa,0.91TPa,1.00TPa。模拟计算结果表明石墨烯的杨氏模量值对石墨烯的厚度具有一定的依赖作用,当石墨烯薄膜的厚度在3个原子层以下时,随着厚度的增加,杨氏模量会逐渐减小,当厚度大于3个原子层是,随着厚度的增加,杨氏模量又会逐渐的增大,并最终趋近于块体的杨氏模量值。


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