《銅表面催化石墨烯CVD生長動力學的理論研究》是依託山東大學，由李海蓓擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：銅表面催化石墨烯CVD生長動力學的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李海蓓
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
由於Cu表面CVD生長的石墨烯具備大尺寸高質量以及較好的層數可控性等優點，Cu基底被公認為是石墨烯CVD生長領域最有前景的金屬催化劑之一。然而，活性碳濃度、Cu表面的微觀形貌結構等參數對石墨烯CVD生長動力學、樣品質量和層數控制方面的原子作用機制我們卻知之甚少。本項目旨在通過分子動力學模擬和第一性原理計算相結合的方法探索Cu表面碳氫化合物催化熱解、活性碳物種在表面擴散遷移、聚集成核到生長成石墨烯的原子動態過程；研究活性碳團簇與金屬表面原子的動態互動作用及其對彼此結構和形貌動力學演化的影響；從原子水平上理解活性碳物種濃度、金屬表面缺陷結構和不同物理屬性如何影響石墨烯成核和生長的模式，進而闡明決定石墨烯生長質量和層數的關鍵因素。通過揭示石墨烯CVD表面催化生長的微觀機制，為實驗上尋找最優的石墨烯生長條件提供理論依據和指導。
結題摘要
本項目通過分子動力學模擬，研究了在Cu表面CVD生長石墨烯過程中活性碳團簇與Cu表面原子相互作用的互動過程。我們發現石墨烯在Cu表面生長的基本過程和在Ni與Fe等金屬表面類似，歷經碳原子或者C2等活性基團在金屬表面遷移、形成碳鏈和Y型支鏈、聚集成五元環或六元環、形成石墨烯島、最後生長成大面積石墨烯的動態過程。我們研究了熔融狀態Cu表面上碳團簇的生長過程，發現熔融狀態下，Cu原子流動性較大，其表面碳原子或者碳鏈會在Cu原子流動作用下在Cu金屬表面遷移，個別碳原子或者碳活性基團會遷入Cu表面的下層區域。形成 “57” 缺陷碳環之後，在Cu原子作用下，“57”缺陷碳環會快速轉變為“66”碳環，熔融Cu表面對石墨烯的生長起到了從缺陷碳環到“66”碳環的修復作用，這是在其它金屬表面上沒有觀察到的現象，所以Cu表面比其他金屬表面生長的石墨烯質量高很多。我們還研究了不同碳濃度下石墨烯的生長過程，發現在碳濃度相對較低的情況下，生長的石墨烯質量較高。在低碳濃度下，碳原子和碳鏈有足夠的時間遷移，它們可以沿著能壘比較低的路徑聚集成核，形成相對較少的缺陷碳環，而且缺陷碳環生成後有足夠的時間在Cu原子作用下修復成六元環。在石墨烯生長過程中，碳原子和碳團簇的遷移和聚集破壞了Cu金屬表面的原子結構，Cu表面形成了很多點缺陷、線缺陷和面缺陷等缺陷結構，這些點缺陷和線缺陷是石墨烯結構中碳原子或碳團簇的錨點，很多Cu原子在碳原子的作用下遷移到石墨烯表面。我們的理論模擬從原子水平上探索了活性碳物種的濃度、金屬表面的物理屬性和金屬表面原子的流動性等對石墨烯成核和生長的影響因素，從微觀尺度探索了石墨烯的生長機制，為實驗上尋找最優的石墨烯生長條件提供了理論依據。
