多晶石墨烯的生长、结构和力学

The polycrystalization of graphene is the natrual consequence of scale-up during industrialized fabrication. The size and shape of grain and the atomic strcutures of grain bounday maybe the critical ingredients in determining the strength of polycrystal graphene. Noticing the slender bending characteristics of thin elastic plate of graphene, we adopte atomistic simulaiton and theoretical analysis, trying to investigate the followings: to understand the effects of the microstructure of copper substate and hydrogen on the expitaxial polycrystal graphene, and to control the geometry of grain and the strutures of grain boundary; the mechanism underlying the formation of wavy grain boundary, and the elastic deforamtion in the vicinity of grain boundary; with the competition of grain boundary, zigzag, and armchair directions, to find out the strenght of polycrystal graphene and the typical features of crack. In this proposal, we intend to investigate the relations between growth, structures and mechanics of polycrystal graphene, aiming to obtaine the optimized properties of morphology and mechanical behaviors，and build the foundation to the application of graphene.

石墨烯多晶化是工业化制造大尺寸石墨烯的必然结果，其晶粒尺寸和晶界原子结构是影响石墨烯强度的关键因素。本课题通过原子模拟和理论分析方法，注意到石墨烯的弹性薄板特征，分析铜衬底微结构和氢元素对石墨烯的外延生长过程的影响，获得控制晶粒几何形状、晶界结构的机制；研究波浪状晶界的形成机理，以及晶界局域的弹性变形；研究沿晶界方向、扶手方向和锯齿方向三个开裂路径共同作用下，多晶石墨烯的断裂特征和强度。本课题通过研究多晶石墨烯生长、结构和力学之间的联系,以期获得优化的石墨烯的形貌、力学特性等特性，为多晶石墨烯的实际应用提供理论基础。

石墨烯通常含有点缺陷、旋错、位错和晶界等多种缺陷。旋错作为最基本的缺陷类型，可以组合形成位错、点缺陷。在实验观察中也已发现这三类缺陷的相互转化。缺陷在石墨烯内部产生自相平衡的内应力。不同缺陷在这些自应力相互作用下，存在吸引或排斥相互作用。缺陷自应力场引起石墨烯发生面外失稳变形，并改变膜内应力分布。这导致可能通过调控石墨烯上缺陷分布来实现三维形貌设计。这种缺陷与石墨烯形貌的内在关系的研究，属于非欧弹性板壳力学领域的一个具体应用。但现有的非欧弹性板壳力学只考察膨胀或收缩本征应变导致的形貌变化。本课题考察的旋错、位错等缺陷对石墨烯形貌的影响，实质上拓展并完备了非欧弹性板壳力学的研究对象，即二维流形中存在旋错、位错、点缺陷三种基本缺陷。本课题通过原子和粗粒化模拟，并采用弹性薄板作为石墨烯连续化模型，研究了不同缺陷对石墨烯形貌的影响。我们通过分子动力学模拟分析了含对称晶界的石墨烯空间弯折角，并讨论了晶界的刚度和晶界的宽度，利用面内晶界倾角和面外弯折角关系，设计了石墨烯Miuraori折纸结构；模拟多晶石墨烯的三维形貌及其与晶粒直径的关系。为了讨论旋错间的相互作用，我们针对石墨烯采用了离散弹簧模型，模拟分析了薄膜结构中两对旋错的长程作用和位置优化。我们用离散板壳弹簧模型，模拟了膨胀或收缩本征应变在弹性薄膜中的作用，得到了相应的三维形貌设计原理，并应用于更复杂的花瓣开放模拟例子。