石墨烯分子模拟研究进展
石墨烯材料应用现状及发展前景分析
石墨烯材料应用现状及发展前景分析张永明1邹静2（1西京学院理学院，陕西西安 710123；2陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）摘要：石墨烯材料是通过杂化的过程而形成的一种蜂窝状的晶体结构，具有的力学、热学、电学性能都表现出优异的特点，是当前研究所发现的性能最优异的材料。
在近几年来，因石墨烯材料所具的优异性能而被多个领域所关注，具有较为广阔的应用前景，已经被誉为21世纪革命性植被。
在技术不断发展下推动了石墨烯研究技术的创新，利用分子模拟技术可以指导石墨烯的研究过程，进而为各领域提供性能更优异的材料。
关键词：石墨烯材料；应用现状；发展前景DOI: 10.12184/wspcyycx2WSP2516-415523.20200408一、石墨烯材料的制备（一）石墨烯制备方法目前，在制备石墨烯时普遍采用两种方式：一是化学制备法、二是物理制备法，其中的物理制备法主要是从具有完备性的高晶格石墨中，或者是在相类似的材料中获取石墨烯，经测量获取的石墨烯尺度，都达到了80nm以上的数值；化学制备法是利用小分子合成的过程或者是采用溶液分离的过程而制备出石墨烯，经测量制备后的石墨烯尺度要显著低于物理制备法，只在10nm 以下。
在应用物理方法制备时含有四种方式：取向附生法制备、机械剥离法制备、爆炸法制备、加热SiC法制备，在应用化学方法制备时含有六种方式：热膨胀剥离法制备、石墨插层法制备、电化学法制备、氧化石墨还原法制备、电化学法制备、球磨法制备。
无论是物理制备法，还是化学制备法都具有不同的优点与不足，比如机械剥离法的制备过程较为简单，能够达到获取高品质石墨烯的目的，但是却存在着产量与产率低及重复性差的问题；溶液液相剥离制备法的制备过程较为简单，并且未对石墨烯的内原子结构产生破坏，但是却存在着效率低的不足，并且还存在着单片层与多层石墨烯共同存在的问题，不能实现有效分离石墨烯的目的；外延生长制备法能够获取出大面积的单层石墨烯，只是具有制备条件较为苛刻的问题，要在制备中应用高温与高真空的过程，并且不能实现从衬底处将石墨烯转移出来；化学气相沉积制备法可以达到获取出较为完整的石墨烯晶体结构，并且石墨烯的面积也较大，在透明电机与电子设备方面表现出较强的优势，只是产量不高且需要较高的成本，特别是石墨烯不能产生有效转移等。
石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟
第 2期
魏志勇, 等: 石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟
3 07
渐达到其物理极限, 能够取代硅的新材料开始受到 人们的重视. 2004 年, G e im 等 [ 1] 用微 切割的方法 制备了石墨烯, 其优异的物理性质引起了研究者的 广泛关注. 理论计算表明, 单层石墨烯的弹性模量 在 700~ 1 000 GP a之间 [ 2] , 是普通钢材的 5倍. 室 温下, 电子在石墨烯中的传递速度比在硅中高一个 数量级, 达到了光速的 1 /300, 远远超过了在其他 材料中的传递速度 [ 3- 5] . 在传热 方面, K lem ens[ 6 ] 使用二维声子气模型估计出室温下单层石墨烯的 热导率为 4 000W / (m # K ); 最近, B alandin等 [ 7] 也 通过试验证实, 单层石墨烯在室温下的热导率高达 5 300W / (m # K ), 比传统热导率最高的材料金刚 石高出 1倍多. 对于石墨烯已进行了很多研究, 但 对于使用光刻石墨烯而获得的石墨烯纳米带, 其热 传递性质的研究还比较少, 很多文献主要关注的是 其低温下热传导的量子化效应. 例如, Sh i等 [ 8] 的 理论计算表明, 低温下石墨烯纳米带的热导是量子 化的; Lan等 [ 9] 进一步发现纳米带带边的结构能够 影响其量子化热导. 但以上研究都没有给出特定尺 寸的石墨烯纳米带结构的热导率值. 最近有研究者 提出 石 墨烯 纳 米 带是 理 想的 芯 片 互 联线 材 料 [ 10- 11 ] . 芯片互联线作为大规模集成电路的一部 分, 除了应具有较小的电阻外, 还应该具有较大的 热导率, 这样有助于增加热耗散, 快速降低集成电 路的工作温度, 提高器件的工作稳定性. 因此, 研究 尺寸受限的石墨烯纳米带的热导率特性对将来的
在lammps中,石墨烯,集中应力,变形
在LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) 中，石墨烯受到集中应力的作用会发生变形。
本文将对这一现象进行详细讨论，旨在探究石墨烯在外力作用下的变形机理和特性，为相关研究提供理论参考和实验指导。
1. 石墨烯的特性石墨烯是由碳原子组成的二维晶格结构，具有许多特殊的物理和化学性质，如高导电性、高热导率、超薄透明等。
由于其独特的结构和性质，石墨烯被广泛应用于材料科学、纳米技术和微电子学领域。
2. 集中应力对石墨烯的作用当外力作用于石墨烯表面时，会产生集中应力，即在作用点周围形成较大的应力场。
石墨烯具有很高的机械强度，但在集中应力的作用下仍会发生变形。
这种变形可能表现为拉伸、弯曲、扭转等形式，取决于外力的方向和大小。
3. 石墨烯变形的模拟方法为了研究石墨烯在集中应力作用下的变形行为，可以借助分子动力学模拟软件LAMMPS进行模拟。
通过构建石墨烯晶格模型、设定外力作用条件和运行模拟程序，可以获得石墨烯的变形过程和力学性能参数。
4. 结果与分析通过LAMMPS模拟可以得到石墨烯在不同集中应力作用下的变形情况。
当外力沿石墨烯平面方向作用时，石墨烯呈现出拉伸和压缩的变形形式；当外力垂直于石墨烯平面作用时，石墨烯呈现出扭转和弯曲的变形形式。
通过分析模拟结果，可以得到石墨烯材料的弹性模量、屈服强度、断裂应变等重要力学性能参数。
5. 应用与展望石墨烯在微纳米器件、柔性电子、传感器等领域具有广阔的应用前景，但在实际应用中需要考虑其在集中应力下的变形特性。
通过对石墨烯变形行为的深入研究，可以为相关领域的材料设计和性能优化提供科学依据，推动石墨烯在新能源、新材料等领域的实际应用。
总结：通过LAMMPS模拟，可以深入研究石墨烯在集中应力作用下的变形机理和特性，为相关领域的科学研究和工程应用提供重要的理论参考和实验指导。
石墨烯的变形行为研究不仅对材料科学和纳米技术具有重要意义，也有助于推动石墨烯在未来的应用和发展。
石墨烯的研究进展
石墨烯的研究进展刘乐浩，李铁虎，赵廷凯，王大为(西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072)摘要石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。
全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，洋细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。
还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。
关键词石墨烯制备方法应用中图分类号：〇613. 71 文献标识码：Research Progress on GrapheneLIU Lehao，LI Tiehu，ZHAO Tingkai，WANG Dawei (School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi，an 710072)Abstract As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties. Synthesis of graphene via different approaches ，such as micro mechanical stripping， chemical stripping， chemical synthesis， epitaxial growth， arc dis- charge，and chemical vapor deposition， are discussed in detail， and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed. Also application progress of gre- phene in polymer composites，micro electronics， optics， energy and biomedicine are summarized， and the main research direction and development trend are imagined.Key words graphene，preparation methods，applicationo引言富勒烯[1]和碳纳米管[2]已经成为碳材料研究的热点，而在2004年，Geim等[3]又发现了碳的又一同素异形体——石墨烯（Graphene)。
石墨烯掺杂结构的模拟仿真方法
石墨烯掺杂结构的模拟仿真方法
石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体结构，具有优异的电学、热学和力学性质。
然而，石墨烯的应用受到其本身的零带隙和低载流子迁移率的限制。
为了克服这些限制，石墨烯掺杂结构被广泛研究。
石墨烯掺杂结构是指在石墨烯中引入其他元素或化合物，以改变其电学性质。
掺杂可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、化学还原等方法实现。
掺杂元素可以是氮、硼、硫、氧等，也可以是金属或半导体纳米颗粒。
为了研究石墨烯掺杂结构的性质，模拟仿真方法被广泛应用。
模拟仿真可以通过计算机模拟石墨烯掺杂结构的电学、热学和力学性质，以预测其实验性质。
常用的模拟方法包括密度泛函理论、分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等。
密度泛函理论是一种基于波函数的计算方法，可以计算石墨烯掺杂结构的电子结构和能带结构。
分子动力学模拟可以模拟石墨烯掺杂结构的热学性质，如热膨胀系数、热导率等。
蒙特卡罗模拟可以模拟石墨烯掺杂结构的力学性质，如弹性模量、屈服强度等。
通过模拟仿真方法，可以预测石墨烯掺杂结构的性质，指导实验设计和优化。
例如，模拟仿真可以预测掺杂元素的浓度、位置和形态对石墨烯性质的影响，以优化掺杂效果。
模拟仿真还可以预测石墨
烯掺杂结构的稳定性和耐久性，以指导实验条件的选择和优化。
石墨烯掺杂结构的模拟仿真方法是研究石墨烯掺杂结构的重要手段，可以预测其电学、热学和力学性质，指导实验设计和优化。
随着模拟仿真方法的不断发展和完善，石墨烯掺杂结构的应用前景将更加广阔。
多层石墨烯杨氏模量的分子动力学研究
石墨烯研究进展
石墨烯复合材料的研究进展石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。
本文综述了石墨烯的制备方法并简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能,并对石墨烯的复合材料应用做了展望。
1制备方法熔融共混法:将原始石墨氧化,经过剥离并还原制成石墨烯,与聚合物在熔融状态下共混制得复合材料。
原位聚合法:将石墨烯与聚合物单体混合,加入引发剂引发反应,最后制得复合材料。
溶液混合法:在溶液共混法中,常常先制备氧化石墨烯,对其进行改性得到在有机溶剂中能够分散的分散液,通过还原得到石墨烯,然后与聚合物进行溶液共混制备石墨烯/ 聚合物复合材料。
乳液混合法:利用氧化石墨烯在水中具有良好的分散性,可将氧化石墨烯的水性分散液与聚合物胶乳进行混合,通过还原制备石墨烯/ 聚合物复合材料。
2性能特点导电性:石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定导热性能:石墨烯优异的热传输性能可应用于微型电子设备的热管理如导热膏热驱动、形状记忆聚合物等。
机械特性:石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。
相互作用:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。
化学性质:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。
从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。
3结论与展望目前,无论是在理论还是实验研究方面,石墨烯均已展示出重大的科学意义和应用价值,且已在生物、电极材料、传感器等方面展现出独特的应用优势。
随着对石墨烯研究的不断深入,其内在的一些特殊性能如荧光性能、模板性能等也相继被发现。
由于石墨烯具有较大的比表面积、径厚比、热导率和电导率,与传统填料相比,石墨烯增强的复合材料具有更加优异的物理性能。
2024年石墨烯研究报告
石墨烯研究报告摘要石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，因其独特的物理、化学和机械性质而备受关注。
本报告旨在研究石墨烯的制备方法、性质及其应用领域，为石墨烯的研究和应用提供参考。
1.引言石墨烯作为一种新型二维材料，自2004年被发现以来，引起了广泛关注。
由于其具有高强度、高导电性和高热导性等独特性质，石墨烯在电子学、能源、材料和生物医药等领域具有广泛的应用前景。
2.石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积法等。
2.1机械剥离法机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法之一。
该方法通过机械力将石墨剥离成单层石墨烯。
然而，这种方法产量较低，难以实现大规模生产。
2.2氧化还原法氧化还原法是将石墨氧化成氧化石墨烯，然后通过还原反应将其还原成石墨烯。
这种方法可以制备大面积的石墨烯，并且成本较低，适合大规模生产。
2.3化学气相沉积法化学气相沉积法是通过在金属基底上沉积碳原子，然后将其转移成独立的石墨烯薄膜。
这种方法可以制备高质量的石墨烯，但成本较高，不适合大规模生产。
3.石墨烯的性质石墨烯具有许多独特的性质，包括高强度、高导电性和高热导性等。
3.1高强度石墨烯具有非常高的强度，其杨氏模量可达到1.0TPa。
这使得石墨烯成为一种理想的材料，可用于制造高强度复合材料和电子产品。
3.2高导电性石墨烯具有非常高的导电性，其电子迁移率可达到2×10^5cm^2/(V·s)。
这使得石墨烯成为一种理想的材料，可用于制造高速电子器件和传感器。
3.3高热导性石墨烯具有非常高的热导性，其热导率可达到5000W/(m·K)。
这使得石墨烯成为一种理想的材料，可用于制造高性能热管理器件和散热材料。
4.石墨烯的应用领域石墨烯具有广泛的应用领域，包括电子学、能源、材料和生物医药等。
4.1电子学领域石墨烯在电子学领域具有广泛的应用前景，包括制造高速电子器件、柔性显示屏和传感器等。
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。