石墨烯单轴拉伸的分子动力学模拟

石墨烯单轴拉伸的分子动力学模拟

MolecularDynamicsSimulationofUniaxialTensionofGraphene

摘要

利用分子动力学方法，模拟石墨烯的微观结构和性能，并采用单轴拉伸模拟方法研究石墨烯的拉伸性能。本文建立了石墨烯的单轴拉伸模型，使用LAMMPS软件对其拉伸力学行为进行了模拟，使用OVITO软件对模拟数据进行了可视化，并且得到了拉伸过程中的应力-应变曲线。结果表明，随着石墨烯应变的增加，其应力逐渐增大，当应变值增大到0.15，石墨烯发生断裂。

关键词：分子动力学模拟；石墨烯；单轴拉伸

ABSTRACT

The microstructure and properties of Graphene were simulated by molecular dynamics, and the tensile properties of Graphene were studied by uniaxial tensile simulation. In this paper, a uniaxial tensile model of Graphene was established, and its tensile mechanical behavior was simulated by LAMMPS software. The simulation data were visualized by OVITO software, and the Stress–strain curve during the tensile process was obtained. The results show that the stress of Graphene increases with the increase of strain, and when the strain value increases to 0.15, Graphene breaks.

Keywords: molecular dynamics simulation；Graphene； uniaxial tension

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着科技革命发展日益迅猛，新材料作为材料工业先锋，产业结构升级、更新换代的步伐不断加快。其中，不断扩大的碳家族已被证明是挖掘下一个超材料的肥沃土壤，碳家族种类丰富，碳原子可以借助不同的杂化方式（sp、sp2、sp3），排列成具有不同物理和化学性质的晶体结构，统称为碳的同素异形体。从古老的金刚石、石墨到近年来科学界“新贵”石墨烯、C60等，都在不同领域发挥着重要作用。1985年，RichardSmalley等在莱斯大学制备出了第一种富勒烯分子[1]，随后自然界和外太空也相继发现了富勒烯。富勒烯的形式为空心球、空心椭球和空心管等，由碳五元环，六元环，有时还有七元环共同组成。富勒烯的发现大大拓展了碳同素异形体的数量，布基球与布基管也一直是学术界研究的热门主题，尤其在化学、材料学、纳米科技、电子学和技术应用等方面。1991年，SumioIijima发现了由石墨中碳结构组成的空心纳米尺寸的管子[2]，启发了许多科学家研究碳纳米管。碳纳米管（CNT）是一种具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体，碳原子以sp2杂化为主，具有优异的热力学、力学和电学性能，抗拉强度高，硬度与金刚石相当却拥有良好的柔韧性，对纳米技术、电子、光学以及其他材料科学和技术领域都有重要价值。2000年，Humberto等提出了Haeckelites[3]，这是一种由碳五元环、六元环和七元环按周期性排列的碳的同素异形体，其中碳五元环和七元环数目相同，碳六元环数量任意。目前尚未在实验室中合成，但已有大量的理论研究，研究表明Haeckelites薄膜与纳米管是亚稳的，稳定性优于C60，机械性能类似于石墨烯，态密度计算显示固有的金属态。2004年，曼彻斯特大学的两位物理学家AndreGeim和KonstantinNovoselov，使用微机械剥离法成功地将石墨烯从石墨中分离出来。石墨烯的问世，打破了人们“单层石墨无法稳定存在”的认知[4]。石墨烯（Graphene）是一种碳原子以sp2杂化方式组成规则的六边形图案的单原子厚薄膜，每个原子有四个键：与其相邻三个碳原子各有一个σ键和一个面向平面外的π键，原子相距约1.42Å。石墨烯具有多种优异的性质，如超高的强度与刚度，高的导电性与导热性，透光性好，电阻率小等等。独特的碳二维结构，使其具有力学、光学、热力学、电学和生物学等多方面优越的性能，石墨烯广泛的应用前景吸引了全世界科学家的目光，引起了对新型碳基纳米材料的研究探索热潮[5-7]。2010年，李等运用六乙炔基苯的交叉偶联反应在铜箔表面上原位合成石墨炔，第一次成功地获得了大面积的石墨炔薄膜，命名为“石墨炔”（Graphdiyne）[8]。石墨炔的结构表现为纳米网状结构，在石墨烯晶格中保留整个碳六元环，在六元环之间插入两个乙炔键代替碳-碳单键。使石墨炔不仅含有苯环，还有以苯环为端点，两个乙炔键为边的大三角单元。每个单元内含18个碳原子，碳的杂化方式为sp和sp2杂化。石墨炔结构呈网状分布，有三角形且规律的孔，从而形成纳米多孔膜。研究表明，氦可以不受阻碍地穿过石墨炔孔，这是由于石墨炔的有效孔径与氦原子范德华半径基本吻合，因此石墨炔可以作为理想的二维氦化学和同位素分离膜[9]。此外石墨炔薄膜还可用于水过滤和净化技术[10]。2015年，Artyom等利用计算机模拟预测了一种二维碳材料——PHAgraphene[11]。PHA-graphene是由碳五元环，六元环及七元环组成的碳同素异形体。理论计算表明，其不仅具有动态和热稳定性，而且还具有“倾斜”的狄拉克锥体。PHA-graphene的键级与石墨烯相同，均为1.33，势能略低于石墨烯。其性能表现不逊于许多其他具有优质属性的高级材料，使得其在纳米电子器件、晶体管等方面具有巨大应用潜力[12]。2015年，一种碳的新的同素异形体五边形石墨烯被提出[13]。五边形石墨烯是完全由碳五元环组成，类似于开罗五边形瓷砖的相对稳定的碳元素同素异形体[14-17]。五边形和六边形碳元环是碳纳米结构的两个基本构建块，从零维的纳米片或纳米环到一维纳米管，二维石墨烯，三维石墨与金属碳阶段[18-23]，六边形是唯一的构建块。富勒烯里著名的“孤立的五边形规则中陈述到碳五元环通常是被看作有拓扑缺陷或几何缺陷，五边形必须是隔离状态，需要被六边形包围以此来降低空间应力[23-30]。不同于石墨烯通过sp2杂化形成的规则六边形的平面薄膜结构，五边形石墨烯是sp2和sp3的杂化体系，其独特的原子组态，使五边形石墨烯具有罕见的负泊松比效应和可与石墨烯媲美的超高力学性能。五边形石墨烯及其衍生物有望在纳米尺度的电子和机械器件中发挥重要作用。图1.1为各式碳同素异形体的结构示意图。

图 1.1 碳的同素异形体：（a）富勒烯；（b）碳纳米管；（c）haeckelites；（d） graphyne；（e）PHA-graphene；（f）石墨烯

Fig.1.1 Allotropes of carbon: (a) fullerenes; (b) carbon nanotubes; (c) haeckelites; (d) graphyne; (e) PHA-graphene; (f) graphene

第2章 分子动力学模拟

2.2.1 基本思想

分子动力学主要依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学模拟的基点是假设粒子运动可以由经典动力学来描述，并使用牛顿经典力学等方程来求解粒子的运动和状态。它有两个基本假设：系统内所有粒子都遵循牛顿经典力学，且微粒间的相互作用可以用势函数描述，且服从叠加定理。

2.2.2 模型的建立

由于计算机性能有限，进行分子动力学模拟时，需要对原子边界进行限制，因此需要设置边界条件，常见的边界条件包括周期性边界条件和非周期性边界条件。本文选择的是周期性边界条件，反映的是如何利用边界条件替代所选部分(系统)受到周边(环境)的影响。如图3-1，此模型的边界条件设置为周期性边界条件。

图2.1 纳米单晶钛模型

2.2.3 石墨烯单轴拉伸运动切片

图2.2 纳米单晶钛模型

如图2.2，可以明显看到模型发生断裂的位置，以及在微观的机理中石墨烯断裂的整个过程。

2.2.4 应力-应变曲线

图2.3 石墨烯的应力-应变曲线

如图2.3所示，石墨烯单轴拉伸曲线符合材料的断裂趋势，当材料的应变达到0.15时，石墨烯发生断裂，从80 GPa的应力强度下降，到最终0 GPa的应力强度。

第3章 结论

本文使用分子动力学模拟方法，对石墨烯单轴拉伸的力学响应进行了研究。本文建立了石墨烯的单轴拉伸模型，使用LAMMPS软件对其拉伸力学行为进行了模拟，使用OVITO软件对模拟数据进行了可视化，并且得到了拉伸过程中的应力-应变曲线。

由于本文的研究内容还较为简单，并不完善，后续的工作可以从更多方面展开：

（1）由于本文只研究了石墨烯的拉伸行为，后续研究应当可以从石墨烯的扭转行为开展。

（2）可以改变石墨烯的宽度，来研究尺寸对石墨烯扭转的影响。