石墨烯分子模拟研究进展

力学性能
Sakhaee-Pour等采用分子力学模拟的方法， 将分子性能等价为空间梁结构，研究了石 墨烯的弹性性能，得到了石墨烯的杨氏模 量为0.992-1.042TPa。 对于锯齿型和扶手椅型石墨烯薄膜的拉伸 性能，韩同伟等进行了一系列的分子动力 学模拟(采用Tersoff势函数)研究，得到以下 数据。
电学性能
• 许多课题组在研究石墨烯电学性能时采用 了分子动力学模拟的方法。ZhaoHaijing等 就运用该方法模拟研究了石墨烯超分子的 电学性质和分子间相互作用，发现石墨烯 的热稳定性和电子性质可以通过石墨烯薄 片上连接的烷基链的种类和长度来调节。 当石墨烯超分子上连接4个烷基时，其电子 态的分布在0--333K之间只有微小的变化， 而在333～353K之间随温度的升高而急剧 增加；当连接6个烷基时，其电子态分布几 乎不随温度的变化(0～353K)而变化。
对石墨烯的分子模拟
• 主要方法：
• • • • 分子力学 分子动力学 量子力学 蒙特卡罗
• 模拟领域：
• • • • 力学性能 电学性能 储氢性能 场发射性能
力学性能
• 石墨烯是目前是世上 最薄却也是最坚硬的 纳米材料，人类已知 强度最高的物质，比 钻石还硬，强度比世 界上最好的钢铁还要 高100倍。
电学性能
稳定的晶格结构赋予石墨烯 优异的导电性能。石墨烯的 电子能带结构如图，石墨烯 的每一单位晶格有2个碳原子， 导致其在每个布里渊区有两 个等价锥形相交点，在这些 相交点附近其能量与波矢量 呈线性关系。石墨烯中的电 子和空穴被称为狄拉克费米 子，在狄拉克点附近其能量 为零，故从这种意义上说石 墨烯的带隙为零，为零带隙 的半导体材料。
电学性能
• 分子模拟技术在石墨烯电学性能中的应用 广泛，量子力学随机模拟是一种研究纳米 尺度器件电子传输性能的新方法， ShoichiSakamoto等主要探讨了纯石墨烯和 掺杂石墨烯的电子转移能力，采用Ito随机 微分函数进行随机过程的时间演化，通过 分析电子运动得出结论：电子的运动依赖 于随机分布的特征函数和分子轨道的形状。 而电迁移率主要受掺杂原子的影响。经典 的半经验量子计算发现石墨烯基纳米带的 局部曲率在有缺陷的部位较大。
储氢性能
• 氢能是一种绿色、高效的可再生能源，对 其开发主要集中于生产、储存、运输和应 用方面。由碳原子SP2杂化构成的二维蜂 窝状结构的石墨烯，其比表面积达到2．63 ×103 m2／g，而且表面碳原子比例为 100％，是很好的储氢材料。
储氢性能
• 张明等采用正则系综蒙特卡罗方法，在77～473K、 0．1-10MPa压强下，对石墨烯吸附氢分子进行模 拟计算。结果表明，低温及高压条件有利于储氢， 10MPa压强下，随着温度的升高，等量吸附热先 减少后增加，当温度为291K时，等量吸附热值最 低。 • L.A.Openo等对石墨烯在汽车燃料电池中的储氢 性能进行研究，发现氢从石墨烯上解吸时石墨烯 具有很好的热稳定性，这不满足燃料电池材料的 要求，因此在氢燃料电池方面石墨烯很难被看作 是一种很有前途的储氢材料。
石墨烯的性质
• 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。 它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢 固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比 已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非 常特殊，必须用量子场论才能描绘。石墨 烯另一个特性，是能够在常温下观察到量 子霍尔效应。
计算机模拟技术
• 计算机分子模拟技术是20世纪90年代才发 展起来的一门新兴学科。这项技术可以从 原子、分子的角度研究分子的结构与行为， 进而模拟体系的各种物理化学性质，从微 观的角度揭示结构与性质的关系，以此来 弥补具体实验手段的不足。
碳海绵
• 2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的 课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海 绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一 类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。 他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海 绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克， 比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量 的两倍。从现在公开的报道看，“碳海绵” 是世界上最轻的固体。
石墨烯分子模拟研究进展
化工学院制药工程 周宝强 2012207368
石墨烯（Graphene）
• 石墨烯（Graphene） 是一种由碳原子构成 的单层片状结构的新 材料。是一种由碳原 子以sp2杂化轨道组成 六角型呈蜂巢晶格的 平面薄膜，只有一个 碳原子厚度的二维材 料.
石墨烯的发现
• 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法 单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯 特大学物理学家安德烈· 海姆和康斯坦丁· 诺 沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离 出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人 也因“在二维石墨烯材料的开创性实验” 为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
场发射性能
• 科学家用热丝化学气相沉积法制备了石墨 烯纳米薄片，并测定了其电子场发射开启 电场强度约17V／um，证实了石墨烯具有 一定的场发射能力。这是由于石墨烯具有 独特的电子结构、大的表面积、锋利的边 缘等所致。
Байду номын сангаас
场发射能力
• ZhangShengli等运用 密度泛函理论研究了 石墨烯／ZnO复合材 料的电子结构和场发 射性能，研究结果认 为复合材料的功函数 随着电场的增加而线 性减少，表明场发射 性能在增强，而且其 电离电势也随着电场 的增加而急剧减少， 进一步证明了材料的 场发射性能增强。
力学性能
电学性能
• 电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具 有惊人的高电子迁移率（electron mobility）。从 测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子 的迁移率应该相等。在10 K和100 K之间，迁移 率与温度几乎无关，可能是受限于石墨烯内部的 缺陷所引发的散射。在室温时，石墨烯的声子散 射体造成的散射，能够约束迁移率上限。与这数 值对应的电阻率为10E-6 Ω·cm，稍小于银的电阻 率1.59 E-6Ω·cm。在室温，电阻率最低的物质是 银。所以，石墨烯是极其优良的导体。