石墨烯起皺和形態調控研究

《石墨烯起皺和形態調控研究》是依託中國科學技術大學，由吳恆安擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯起皺和形態調控研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳恆安
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

石墨烯因其獨特的結構和電學性能而成為包括物理、化學、材料等在內的多學科領域前沿熱點。起皺現象在這一單原子層厚度材料中普遍存在，並對其電學性能產生顯著影響，因此研究起皺機理並尋找可能的力學手段對石墨烯起皺形態進行調控具有重要的科學意義。本項目計畫結合分子動力學方法和連續力學理論，對懸置石墨烯和基質（SiO2或h-BN）表面石墨烯的起皺機理進行研究。分子動力學模擬研究原子尺度效應，並以此完善表征石墨烯起皺的連續介質力學模型。研究力學調控參數對石墨烯起皺形態的影響規律，並進一步提出基於石墨烯起皺和調控機制的納米感測器設計思想。

結題摘要

石墨烯因其獨特的結構和電學性能而成為包括物理、化學、材料等在內的多學科領域前沿熱點。起皺現象在這一單原子層厚度材料中普遍存在，並對其電學性能產生顯著影響，因此研究起皺機理並尋找可能的力學手段對石墨烯起皺形態進行調控具有重要的科學意義。本項目結合分子動力學方法和連續力學理論，對懸置石墨烯和基質表面石墨烯的起皺機理進行了研究。分子動力學模擬研究了原子尺度效應，並以此完善了表征石墨烯起皺的連續介質力學模型。研究了力學調控參數對石墨烯起皺形態的影響規律，並進一步提出了基於石墨烯起皺和調控機制的納米感測器設計思想。本項目取得的重要研究成果有，研究了石墨烯屈曲褶皺的各向異性生長，完整地揭示了不同尺寸下石墨烯褶皺生長的不同機理，指出了尺度和手性可能對石墨烯屈曲造成的影響，這可以對於石墨烯相關的電子器件中的套用提供原理指導，特別對於涉及利用石墨烯高頻動態褶皺的電子器件有著重要的意義。使用分子動力學模擬，通過設定類似於光纖構形的振源排列和橢圓曲線的振源排列，在單層石墨烯上獲得了高品質因子的規律分布的動態起伏點陣列。我們通過分子動力學模擬，連續介質力學理論和非連續性分析，證明了在頻率高於3 THz的情況下，單層石墨烯上的橫波傳遞是存在明顯的手性差異的。石墨烯上各向異性的橫波傳遞特性可以為石墨烯相關的電子器件提供更好的基礎理論指導。此外，本項目研究了褶皺石墨烯包裹的納米顆粒的自適應應變鬆弛的最佳化機制，並討論了其在鋰電池電極材料中的套用。雖然納米顆粒電極體積在多次充放電循環中不斷膨脹及收縮，但這一過程中石墨烯的褶皺變形能和面內拉伸應變能相互轉化，承載了部分載荷。因此，褶皺石墨烯包裹的納米顆粒可有效緩衝電極體積膨脹，增強輸運效率，從而提高循環穩定性和放電效能。本項目進展順利，超額完成計畫任務書中所規定的研究內容並圓滿達到預期目標，本項目總計發表SCI論文29篇（標註自然科學基金資助）。項目負責人2015年獲國家傑出青年科學基金資助。