石墨烯起皱和形态调控研究

石墨烯因其独特的结构和电学性能而成为包括物理、化学、材料等在内的多学科领域前沿热点。起皱现象在这一单原子层厚度材料中普遍存在，并对其电学性能产生显著影响，因此研究起皱机理并寻找可能的力学手段对石墨烯起皱形态进行调控具有重要的科学意义。本项目计划结合分子动力学方法和连续力学理论，对悬置石墨烯和基质（SiO2或h-BN）表面石墨烯的起皱机理进行研究。分子动力学模拟研究原子尺度效应，并以此完善表征石墨烯起皱的连续介质力学模型。研究力学调控参数对石墨烯起皱形态的影响规律，并进一步提出基于石墨烯起皱和调控机制的纳米传感器设计思想。

石墨烯因其独特的结构和电学性能而成为包括物理、化学、材料等在内的多学科领域前沿热点。起皱现象在这一单原子层厚度材料中普遍存在，并对其电学性能产生显著影响，因此研究起皱机理并寻找可能的力学手段对石墨烯起皱形态进行调控具有重要的科学意义。本项目结合分子动力学方法和连续力学理论，对悬置石墨烯和基质表面石墨烯的起皱机理进行了研究。分子动力学模拟研究了原子尺度效应，并以此完善了表征石墨烯起皱的连续介质力学模型。研究了力学调控参数对石墨烯起皱形态的影响规律，并进一步提出了基于石墨烯起皱和调控机制的纳米传感器设计思想。本项目取得的重要研究成果有，研究了石墨烯屈曲褶皱的各向异性生长，完整地揭示了不同尺寸下石墨烯褶皱生长的不同机理，指出了尺度和手性可能对石墨烯屈曲造成的影响，这可以对于石墨烯相关的电子器件中的应用提供原理指导，特别对于涉及利用石墨烯高频动态褶皱的电子器件有着重要的意义。使用分子动力学模拟，通过设置类似于光纤构形的振源排列和椭圆曲线的振源排列，在单层石墨烯上获得了高品质因子的规律分布的动态起伏点阵列。我们通过分子动力学模拟，连续介质力学理论和非连续性分析，证明了在频率高于3 THz的情况下，单层石墨烯上的横波传递是存在明显的手性差异的。石墨烯上各向异性的横波传递特性可以为石墨烯相关的电子器件提供更好的基础理论指导。此外，本项目研究了褶皱石墨烯包裹的纳米颗粒的自适应应变松弛的优化机制，并讨论了其在锂电池电极材料中的应用。虽然纳米颗粒电极体积在多次充放电循环中不断膨胀及收缩，但这一过程中石墨烯的褶皱变形能和面内拉伸应变能相互转化，承载了部分载荷。因此，褶皱石墨烯包裹的纳米颗粒可有效缓冲电极体积膨胀，增强输运效率，从而提高循环稳定性和放电效能。本项目进展顺利，超额完成计划任务书中所规定的研究内容并圆满达到预期目标，本项目共计发表SCI论文29篇（标注自然科学基金资助）。项目负责人2015年获国家杰出青年科学基金资助。