搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

白清顺 沈荣琦 何欣 刘顺 张飞虎 郭永博

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

白清顺, 沈荣琦, 何欣, 刘顺, 张飞虎, 郭永博
PDF
导出引用
导出核心图
  • 石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.
    [1]

    Yuk J M, Park J, Ercius P, Kim K, Hellebusch D J, Crommie M F, Lee J Y, Zettl A, Alivisatos A P 2012 Science 336 61

    [2]

    Xia S, Ponson L, Ravichandran G, Bhattacharya K 2012 Phys. Rev. Lett. 108 196101

    [3]

    Das S, Lahiri D, Lee D, Agarwal A, Choi W 2013 Carbon 59 121

    [4]

    Neek-Amal M, Peeters F M 2012 Phys. Rev. B 85 195445

    [5]

    Gao W, Huang R 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 452001

    [6]

    Han T W, He P F 2010 Acta Phys. Sin. 59 3408 (in Chinese) [韩同伟, 贺鹏飞 2010 物理学报 59 3408]

    [7]

    Wang W D, Li S, Min J J, Shen C L 2015 J. Nanosci. Nanotechnol. 15 2970

    [8]

    Wang W D, Min J J, Li S, Yi C L, Shen C L 2014 Nanotechnology (IEEE-NANO) 13th IEEE Conference on IEEE Beijing, China, August 5-8, 2013 p1071

    [9]

    Tang X Q, Zhang K, Deng X H, Zhang P, Pei Y 2016 Mol. Simul. 42 1

    [10]

    Chen H, Chen S 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 435305

    [11]

    He Y, Yu W, Ouyang G 2014 Phys. Chem. Chem. Phys. 16 11390

    [12]

    Reserbat-Plantey A, Kalita D, Han Z, Ferlazzo L, Autier-Laurent S, Komatsu K, Li C, Weil R, Ralko A, Marty L, Guéron S, Bendiab N, Bouchiat H, Bouchiat V 2014 Nano Lett. 14 5044

    [13]

    Rasool H I, Song E B, Allen M J, Wassei J K, Kaner R B, Wang K L, Weiller B H, Gimzewski J K 2010 Nano Lett. 11 251

    [14]

    Politano A 2016 Nano Res. 9 1795

    [15]

    Gao J, Yip J, Zhao J, Yakobson B I, Ding F 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 5009

    [16]

    Lauffer P, Emtsev K V, Graupner R, Seyller T, Ley L, Reshanov S A, Weber H B 2008 Phys. Rev. B 77 155426

    [17]

    Bolen M L, Harrison S E, Biedermann L B, Capano M A 2009 Phys. Rev. B 80 115433

    [18]

    Kang C Y, Tang J, Li L M, Yan W S, Xu P S, Wei S Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 037302 (in Chinese) [康朝阳, 唐军, 李利民, 闫文盛, 徐彭寿, 韦世强 2012 物理学报 61 037302]

    [19]

    Belytschko T, Xiao S P, Schatz G C, Ruoff R S 2002 Phys. Rev. B 65 235430

    [20]

    Dewapriya M A N, Rajapakse R K N D 2016 Composites Part B Eng. 98 339

    [21]

    Kendall K 1975 J. Phys. D: Appl. Phys. 8 1449

    [22]

    Coraux J, N’Diaye A T, Busse C, Michely T 2008 Nano Lett. 8 565

    [23]

    Lee C, Wei X D, Kysar J W, Hone J 2008 Science 321 385

    [24]

    Yoon T, Shin W C, Kim T Y, Mun J H, Kim T S, Cho B J 2012 Nano Lett. 12 1448

    [25]

    Giovannetti G, Khomyakov P A, Brocks G, Karpan V M, van den Brink J, Kelly P J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 026803

    [26]

    Koenig S P, Boddeti N G, Dunn M L, Bunch J S 2011 Nat. Nanotechnol. 6 543

    [27]

    Ogata S, Li J, Yip S 2002 Science 298 807

  • [1]

    Yuk J M, Park J, Ercius P, Kim K, Hellebusch D J, Crommie M F, Lee J Y, Zettl A, Alivisatos A P 2012 Science 336 61

    [2]

    Xia S, Ponson L, Ravichandran G, Bhattacharya K 2012 Phys. Rev. Lett. 108 196101

    [3]

    Das S, Lahiri D, Lee D, Agarwal A, Choi W 2013 Carbon 59 121

    [4]

    Neek-Amal M, Peeters F M 2012 Phys. Rev. B 85 195445

    [5]

    Gao W, Huang R 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 452001

    [6]

    Han T W, He P F 2010 Acta Phys. Sin. 59 3408 (in Chinese) [韩同伟, 贺鹏飞 2010 物理学报 59 3408]

    [7]

    Wang W D, Li S, Min J J, Shen C L 2015 J. Nanosci. Nanotechnol. 15 2970

    [8]

    Wang W D, Min J J, Li S, Yi C L, Shen C L 2014 Nanotechnology (IEEE-NANO) 13th IEEE Conference on IEEE Beijing, China, August 5-8, 2013 p1071

    [9]

    Tang X Q, Zhang K, Deng X H, Zhang P, Pei Y 2016 Mol. Simul. 42 1

    [10]

    Chen H, Chen S 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 435305

    [11]

    He Y, Yu W, Ouyang G 2014 Phys. Chem. Chem. Phys. 16 11390

    [12]

    Reserbat-Plantey A, Kalita D, Han Z, Ferlazzo L, Autier-Laurent S, Komatsu K, Li C, Weil R, Ralko A, Marty L, Guéron S, Bendiab N, Bouchiat H, Bouchiat V 2014 Nano Lett. 14 5044

    [13]

    Rasool H I, Song E B, Allen M J, Wassei J K, Kaner R B, Wang K L, Weiller B H, Gimzewski J K 2010 Nano Lett. 11 251

    [14]

    Politano A 2016 Nano Res. 9 1795

    [15]

    Gao J, Yip J, Zhao J, Yakobson B I, Ding F 2011 J. Am. Chem. Soc. 133 5009

    [16]

    Lauffer P, Emtsev K V, Graupner R, Seyller T, Ley L, Reshanov S A, Weber H B 2008 Phys. Rev. B 77 155426

    [17]

    Bolen M L, Harrison S E, Biedermann L B, Capano M A 2009 Phys. Rev. B 80 115433

    [18]

    Kang C Y, Tang J, Li L M, Yan W S, Xu P S, Wei S Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 037302 (in Chinese) [康朝阳, 唐军, 李利民, 闫文盛, 徐彭寿, 韦世强 2012 物理学报 61 037302]

    [19]

    Belytschko T, Xiao S P, Schatz G C, Ruoff R S 2002 Phys. Rev. B 65 235430

    [20]

    Dewapriya M A N, Rajapakse R K N D 2016 Composites Part B Eng. 98 339

    [21]

    Kendall K 1975 J. Phys. D: Appl. Phys. 8 1449

    [22]

    Coraux J, N’Diaye A T, Busse C, Michely T 2008 Nano Lett. 8 565

    [23]

    Lee C, Wei X D, Kysar J W, Hone J 2008 Science 321 385

    [24]

    Yoon T, Shin W C, Kim T Y, Mun J H, Kim T S, Cho B J 2012 Nano Lett. 12 1448

    [25]

    Giovannetti G, Khomyakov P A, Brocks G, Karpan V M, van den Brink J, Kelly P J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 026803

    [26]

    Koenig S P, Boddeti N G, Dunn M L, Bunch J S 2011 Nat. Nanotechnol. 6 543

    [27]

    Ogata S, Li J, Yip S 2002 Science 298 807

  • [1] 史超, 林晨森, 陈硕, 朱军. 石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟. 物理学报, 2019, 68(8): 086801. doi: 10.7498/aps.68.20182307
    [2] 杨文龙, 韩浚生, 王宇, 林家齐, 何国强, 孙洪国. 聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟. 物理学报, 2017, 66(22): 227101. doi: 10.7498/aps.66.227101
    [3] 覃业宏, 唐超, 张春小, 孟利军, 钟建新. 硅晶体表面石墨烯褶皱形貌的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2015, 64(1): 016804. doi: 10.7498/aps.64.016804
    [4] 李 瑞, 胡元中, 王 慧, 张宇军. 单壁碳纳米管在石墨基底上运动的分子动力学模拟. 物理学报, 2006, 55(10): 5455-5459. doi: 10.7498/aps.55.5455
    [5] 叶振强, 曹炳阳, 过增元. 石墨烯的声子热学性质研究. 物理学报, 2014, 63(15): 154704. doi: 10.7498/aps.63.154704
    [6] 郑伯昱, 董慧龙, 陈非凡. 基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法. 物理学报, 2014, 63(7): 076501. doi: 10.7498/aps.63.076501
    [7] 王卫东, 郝跃, 纪翔, 易成龙, 牛翔宇. 不同温度条件下单层石墨烯纳米带弛豫性能的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(20): 200207. doi: 10.7498/aps.61.200207
    [8] 董若宇, 曹鹏, 曹桂兴, 胡帼杰, 曹炳阳. 直流电场下水中石墨烯定向行为研究. 物理学报, 2017, 66(1): 014702. doi: 10.7498/aps.66.014702
    [9] 王俊珺, 李涛, 李雄鹰, 李辉. 液态镓在石墨烯表面的润湿性及形貌特征. 物理学报, 2018, 67(14): 149601. doi: 10.7498/aps.67.20172717
    [10] 李艳茹, 何秋香, 王芳, 向浪, 钟建新, 孟利军. 金属纳米薄膜在石墨基底表面的动力学演化. 物理学报, 2016, 65(3): 036804. doi: 10.7498/aps.65.036804
    [11] 韩同伟, 贺鹏飞. 石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(5): 3408-3413. doi: 10.7498/aps.59.3408
    [12] 林文强, 徐斌, 陈亮, 周峰, 陈均朗. 双酚A在氧化石墨烯表面吸附的分子动力学模拟. 物理学报, 2016, 65(13): 133102. doi: 10.7498/aps.65.133102
    [13] 徐志成, 钟伟荣. C60轰击石墨烯的瞬间动力学. 物理学报, 2014, 63(8): 083401. doi: 10.7498/aps.63.083401
    [14] 夏冬, 王新强. 超细Pt纳米线结构和熔化行为的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2012, 61(13): 130510. doi: 10.7498/aps.61.130510
    [15] 谢 芳, 张 林, 朱亚波, 张兆慧. 碳纳米管振荡的分子动力学模拟. 物理学报, 2008, 57(9): 5833-5837. doi: 10.7498/aps.57.5833
    [16] 孟利军, 张凯旺, 钟建新. 硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟. 物理学报, 2007, 56(2): 1009-1013. doi: 10.7498/aps.56.1009
    [17] 陈青, 孙民华. 分子动力学模拟尺寸对纳米Cu颗粒等温晶化过程的影响. 物理学报, 2013, 62(3): 036101. doi: 10.7498/aps.62.036101
    [18] 孙伟峰, 王暄. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2013, 62(18): 186202. doi: 10.7498/aps.62.186202
    [19] 司丽娜, 王晓力. 纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2014, 63(23): 234601. doi: 10.7498/aps.63.234601
    [20] 王松有, 王昶清, 贾 瑜, 马丙现, 秦 臻, 王 飞, 武乐可, 李新建. 不同温度下Si(001)表面各种亚稳态结构的分子动力学模拟. 物理学报, 2005, 54(9): 4313-4318. doi: 10.7498/aps.54.4313
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  552
  • PDF下载量:  186
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-29
  • 修回日期:  2017-11-02
  • 刊出日期:  2018-02-05

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

    基金项目: 

    国家自然科学基金重点项目(批准号:51535003)和国家自然科学基金(批准号:51575138,51775146,51405111)资助的课题.

摘要: 石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.

English Abstract

参考文献 (27)

目录

    /

    返回文章
    返回