重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

北京大学学报（自然科学版）

重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

梁力,赵仕俊,王宇钢,薛建明

北京大学物理学院, 核科学与核技术国家重点实验室, 北京 100871;

收稿日期:2012-04-18 出版日期:2013-05-20 发布日期:2013-05-20

Atomistic Simulations of Mechanical Properties of Graphene under Heavy Ion Irradiation

LIANG Li, ZHAO Shijun, WANG Yugang, XUE Jianming

School of Physics, State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871;

Received:2012-04-18 Online:2013-05-20 Published:2013-05-20

摘要/Abstract

摘要： 利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响, 包括应力?应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV, 入射剂量分别为2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2。结果表明, 离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等, 这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响, 如剂量为2.00×10¹³cm^-2时, 石墨烯中只存在两个单空位缺陷, 但与完美石墨烯相比, 杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa, 拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa, 并且缺陷个数越多, 力学性能越差。另外, 对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。

关键词: 石墨烯, 力学性能, 辐照, 分子动力学

Abstract: The influence of ion irradiation on graphene’s mechanical properties was investigated using molecular dynamics simulations (MD) including Young’s modulus, stress and strain. Incident ions were C ions with 1 keV, and the situations under different incident doses were studied, including 2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2, respectively. The results show that defects, such as single, double vacancies and complex defects, are introduced by bombardment. They have a great effect on graphene’s mechanical properties, for example, two single vacancies can make Young’s modulus decreasing from 780.19 GPa to 128.77 GPa, and stress from 161.81 GPa to 30.85 GPa, compared with perfect graphene. The more defects in graphene, the effect will be greater. In addition, the physical mechanism of graphene’s deformation and cracking was taken over.

Key words: graphene, mechanical properties, irradiation, molecular dynamics

中图分类号:

O411

梁力,赵仕俊,王宇钢,薛建明. 重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）.

LIANG Li,ZHAO Shijun,WANG Yugang,XUE Jianming. Atomistic Simulations of Mechanical Properties of Graphene under Heavy Ion Irradiation[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis.

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[1]	苏鑫杨, 贺贤土, 陈军. 基于密度泛函理论的KDP(100)表面吸附水分子研究[J]. 北京大学学报自然科学版, 2022, 58(5): 785-794.
[2]	毕春晴, 刘燕, 郭文靖, 蒋西麟, 李郑国深, 许楠. 河蚬(Corbicula fluminea)对氧化石墨烯和全氟辛烷磺酸类物质(PFOS)联合胁迫的生理生化响应[J]. 北京大学学报自然科学版, 2022, 58(4): 721-729.
[3]	陈钰焓, 赵子强, 赵云彪, 陈艺, 周丹晴. 碳离子注入辅助在6H-SiC表面制备石墨烯[J]. 北京大学学报自然科学版, 2021, 57(3): 407-413.
[4]	李子珅, 刘旸, 许海涛, 魏楠, 於菪珉, 王胜. 低噪声、宽谱响应的碳纳米管薄膜-石墨烯复合光探测器[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2016, 52(3): 383-388.
[5]	刘士毅;徐光跃;张艳文;王绪;唐美雄;赵子强;魏炳忱. 3 MeV 金离子辐照Ni₆₀Nb₄₀ 非晶合金及Hastelloy-N 合金的辐照损伤研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2015, 51(5): 783-790.
[6]	朱一舟;颜莎;薛建明;贺书凯;张博尧;王宇钢. 暂态强热流作用下钨烧蚀过程的分子动力学模拟[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2015, 51(4): 596-600.
[7]	魏子钧,王志刚,李晨,郭剑,任黎明,张朝晖,傅云义,黄如. 石墨烯场效应晶体管的光响应特性研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2014, 50(4): 704-708.
[8]	何斌,薛建明,邹雪晴,王宇钢. 分子动力学研究SiC材料中的辐照损伤过程[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2009, 45(3): 385-389.
[9]	柳树群, 孙之荣. CCR5膜外二硫键Cys20-Cys269对其构象完整性以及功能行使起关键作用[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2004, 40(4): 518-526.
[10]	施小康, 石浩, 于民, 黄如, 张兴. 一种用于剂量效应模拟的新型分子动力学统计噪声改进算法[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2004, 40(3): 407-411.
[11]	郭延军, 郑辙, 冯有利, 李永章. 中子辐照对纳米金刚石颗粒的影响——Raman光谱分析[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2004, 40(2): 212-215.
[12]	万新恒,张兴,高文钰,黄如,王阳元. 低剂量辐照条件下的MOSFET因辐照导致的阈值电压漂移的模拟[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2002, 38(1): 63-68.
[13]	李旗,夏宗璜,王雪梅,赵强,沈定予,卢希庭, 王锋,陈志坚,龚旗煌, 沈德忠. 质子辐照后的KNbO₃晶体的光折变响应特性[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 1999, 35(5): 655-658.
[14]	王德煌,王威礼,程虎民,马季铭,毛节泰 . 纳米CuCl晶簇室温光吸收谱[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 1996, 32(3): 343-346.