金属催化剂在石墨烯CVD生长过程中的作用及多层石墨烯CVD生长机理的理论探索

Two-dimensional (2D) single-atom-thick graphene process unique structures and physical/chemical properties and show their attractive application prospects in electronics device,sensors,catalysis and biomedicine, et al. Based on first principles methods, molecular dynamics as well as Nudged Elastic Methods,our program aim to systematically investigate the growth mechnism of graphene CVD growth at different stages of carbon decompositionn actives diffusion, nucleation and further growth, et al.Our research plan will: 1) learn the effects of metal catalyst crstal orentation to the formation of graphene edge orentation as well as their growth rate;2) study the effect of mismatch between graphene and catalyst parameters to the rate dtermined step; 3)make clear the effects of metal alloy to every stages of graphene CVD growth; 4)and further explore the growth mechanism of bi-（few）layer grphene. Our program will conclude the strategies of suppressing the defects and provide the theoretical reference for high quality large-area graphene synthesis.

具有单原子厚度的二维石墨烯材料，因其独特的几何结构和物理化学性质，在电子学器件、太阳能电池、传感器、催化、生物医学等方面都具有广泛的应用前景。本项目拟采用第一性原理方法，结合分子动力学和Nudged Elastic Band的计算方法对CVD方法制备石墨烯的物理化学机理进行系统研究。探索石墨烯CVD生长过程中碳源分解、扩散、成核及进一步生长等的影响因素，研究金属催化剂晶向对石墨烯边缘取向和生长速率的影响，认知与石墨烯晶格常数严重失配催化剂表面上石墨烯生长的决速步，明确合金催化剂在石墨烯CVD生长过程中的作用，并进一步分析双（多）层石墨烯的生长机理，揭示控制石墨烯缺陷的途径，为制备单层或多层高质量石墨烯的制备并拓展其应用提供理论基础和技术指导。

具有单原子厚度的二维石墨烯材料，因其独特的几何结构和物理化学性质，在电子学器件、太阳能电池、传感器、催化、生物医学等方面都具有广泛的应用前景。在本项目中，我们采用第一性原理方法，结合分子动力学和Nudged Elastic Band的计算方法对CVD方法制备石墨烯的物理化学机理进行了系统研究，并取得了一些创新型性的研究成果：i)研究发现石墨烯CVD生长过程中碳团簇的形状受到金属催化剂基底晶向的影响，比如，Cu(100)面上稳定的碳团簇具有与基底晶格对称性相似的C2v对称性，其中，矩形形状的 C28特别稳定,是实验上容易合成的幻数结构；ii)当石墨烯在半融状态的Cu(111)基底金属催化剂表上面生长时，根据其尺寸的不同表现为两种不同的嵌入式生长模式：a)当石墨烯岛很小时(如C24),石墨烯岛沉入金属基底的第一层；b) 当石墨烯岛比较大时(如C54)，来自基底的金属原子将包围石墨烯岛；iii)石墨烯在与其晶格常数失配较大的Ru(0001)表面上存在两种类型的莫尔条纹: a)当石墨烯与 Ru(0001)基底之间的旋转角大于20度的时候，石墨烯的结构很平其平面起伏度小于0.1 Å，且石墨烯的各个部分有着相似的电子性质; b)当石墨烯与金属基底之间的旋转角小于20度，石墨烯的莫尔条纹起伏很大，~0.4-1.6Å，且其电子性质受到石墨烯跟Ru(0001)基底之间的相互作用的影响。此外，这些旋转的石墨烯莫尔条纹可以作为产生尺寸可调的金属团簇的模板; iv)当石墨烯在Ni(111)表面上旋转一定的角度后，其与Ni(111)基底之间的作用大大减弱。这种弱相互作用不仅利于第二层石墨的生长还有利于大大减少新石墨烯层生长过程中的缺陷；v)我们首次发现由5|7s位错构成的石墨烯的一维晶界的形成能随着交错角在0度到60度的范围内形成M形的对应关系，且其稳定性还受到晶界的取向的影响。此外，我们还将研究拓展到二维硼烯和一维碳纳米管以及一维有机金属三明治化合物的生长机理及其电磁性质的理论研究，以及二维纳米材料在电催化方面的应用等。在本项目的支持下，共发表SCI 论文20篇，包括Nano Lett. 1 篇，Nanoscale 2篇，Carbon 2篇，J. Mater. Chem. A 2篇，J. Phys. Chem. C 3篇，J. Mater. Chem. C 1篇。