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        Graphene條帶的熱穩(wěn)定性研究

        2010-11-13 07:45:10李愛華
        關(guān)鍵詞:熱穩(wěn)定性碳納米管條帶

        李愛華

        (湖南科技學(xué)院 電子工程系,湖南 永州 425100)

        0 引 言

        Graphene是碳原子分布在二維蜂巢晶格點(diǎn)陣上的單原子層晶體,是一種理想的二維量子體系,成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)中最熱門的研究課題之一。人們發(fā)現(xiàn)graphene體系具有一些奇特的電子性質(zhì):Dirac點(diǎn)附近的載流子的有效靜質(zhì)量為零,呈現(xiàn)相對(duì)論性質(zhì)的特征,出現(xiàn)反常的量子霍爾效應(yīng)等[1-6]。Graphene的電子性質(zhì)與其幾何構(gòu)型有關(guān),通過控制幾何構(gòu)型,可將其調(diào)制成金屬和不同帶隙的半導(dǎo)體。利用傳統(tǒng)的電子束刻蝕技術(shù)可將 graphene制成電路和加工成特定形狀[6]。Graphene對(duì)于高壓、吸附、缺陷、摻雜等調(diào)制手段的響應(yīng)與碳納米管(CNT)有很多相似之處,在研究中可直接利用研究 CNT過程中所積累的經(jīng)驗(yàn),但graphene在應(yīng)用性上優(yōu)于 CNT,更容易與現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)結(jié)合,激起了人們對(duì)這種新型二維材料的廣泛研究。

        目前,實(shí)驗(yàn)上采用機(jī)械剝離[2,3]和外延生長[4,5]的方法已獲得不同尺寸的graphene條帶(GNRs),人們對(duì)邊沿用氫(或者氧、銫)飽和的GNRs和純GNRs體系做了廣泛的理論研究[7-13]。GNRs依據(jù)邊沿碳原子的排列不同有兩種經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即鋸齒型石墨帶(ZGNR)和扶手椅型石墨帶(AGNR)。根據(jù)最近鄰π軌道緊束縛模型和第一性原理的研究,ZGNR一般體現(xiàn)金屬性[7,8,9,10],而AGNR隨帶寬的不同體現(xiàn)出金屬或者絕緣體性質(zhì)[7,8,9,11,12,13]。由于 GNRs邊沿碳原子存在不飽和鍵,其性質(zhì)很不穩(wěn)定,容易與其它活性原子形成新的共價(jià)鍵而產(chǎn)生新型的復(fù)合物。而這類新型納米復(fù)合材料將在納米電子器件和自旋電子器件等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

        GNRs作為新穎的碳基納米材料引起了人們極大的關(guān)注,它與石墨、CNT等一樣具有非常好的熱穩(wěn)定性,石墨的熔化溫度約為 4450K[14],碳納米管的熔化溫度約4800K[15],那么GNRs的熔化溫度是多少?GNRs的熔化是否與條帶的帶寬、邊界構(gòu)型有關(guān)呢?GNRs是一種性能優(yōu)越的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料,有廣泛的應(yīng)用前景,正確認(rèn)識(shí)GNRs的熱穩(wěn)定性,是我們探索GNRs高溫應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。在本文里,我們將采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法分別研究不同寬度的ZGNR和AGNR的熱穩(wěn)定性,依據(jù)Lindemann判據(jù)探討GNRs的熱穩(wěn)定性,取得一系列有意義的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)作為大塊固體熔化的判據(jù)Lindemann指數(shù)qL=0.1~0.15[16]對(duì) GNRs不適用。我們依據(jù)Lindemann指數(shù)曲線在熔化點(diǎn)附近的變化趨勢(shì)得出ZGNR和AGNR的整體熔化溫度分別為5000K~5500K和4500K~5000K,適用于納米顆粒、聚合物和碳納米管的熔化臨界 Lindemann指數(shù)qC=0.03~0.05[17],同樣適用于對(duì)GNRs發(fā)生熔化的判定,且GNRs的熔化總是從邊緣開始。

        1.子動(dòng)力學(xué)模擬與勢(shì)模型

        分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究復(fù)雜微觀系統(tǒng)的有力工具,不僅可以直接模擬許多物質(zhì)的宏觀凝聚特性,得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合或者可比擬的計(jì)算結(jié)果,而且可以提供微觀結(jié)構(gòu),粒子運(yùn)動(dòng)以及它們和物質(zhì)宏觀性質(zhì)關(guān)系的明確圖像。模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)原子之間相互作用勢(shì)函數(shù)的選取。

        本文采用正則系綜(NVT)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,C-C原子間的相互作用勢(shì)由多體Tersoff勢(shì)[18]描述, Tersoff勢(shì)能比較好地描述碳結(jié)構(gòu)的性質(zhì)[19]。運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分使用 5值Gear預(yù)測(cè)-矯正算法,截?cái)喟霃綖? nm,溫度控制使用速度標(biāo)度法,GNRs周圍留出足夠的真空層,使用周期性邊界條件,模擬步長為0.5 fs,模擬步數(shù)20萬步(100 ps)。為量化GNRs的熔化程度,我們引進(jìn)Lindemann指數(shù)。原子數(shù)為N的系統(tǒng),在模擬溫度T下,每個(gè)原子的Lindemann指數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的平均Lindemann指數(shù)被定義為[17]

        Yaoqi Zhou等人[17]用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了納米顆粒和聚合物熔化與預(yù)熔化轉(zhuǎn)變的 Linde-mann判據(jù),KaiWang Zhang等人[15]用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了碳納米管的熔化行為,均得出 Lindemann指數(shù)熔化的臨界值為0.03~0.04。我們知道,在系統(tǒng)未達(dá)到熔化溫度以前,Lindemann指數(shù)會(huì)隨溫度的增加呈線性緩慢增大,在臨近熔化溫度時(shí),Lindemann指數(shù)對(duì)溫度的增加非常敏感,會(huì)偏離原來的線性關(guān)系迅速增大。我們依據(jù)Lindemann指數(shù)曲線在熔化點(diǎn)附近的變化趨勢(shì)得出GNRs 的熔化溫度。

        2.算模擬結(jié)果與討論

        2.1.GNR的熱穩(wěn)定性研究

        首先考慮具有相同帶長(4.919nm),不同帶寬(NZ)的ZGNR的熱穩(wěn)定性。ZGNR帶寬NZ的計(jì)算方法如圖1所示。對(duì) ZGNR在不同溫度下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。不同溫度下的模擬結(jié)果表明,不同帶寬的 ZGNR在各種溫度下都會(huì)不同程度地發(fā)生扭曲變形,扭曲現(xiàn)象表明 ZGNR具有良好的柔韌性,即使出現(xiàn)較大的變形也不發(fā)生斷裂。溫度越高扭曲變形越大,C-C鍵長被拉伸地越長。研究發(fā)現(xiàn),在 5000K溫度下ZGNR仍保持其六方網(wǎng)格的完整性。

        圖1.GNR帶寬的定義示意圖

        計(jì)算不同帶寬的ZGNR在不同溫度下的平均Lindemann指數(shù),如圖2所示。從圖2中能清晰地看出,NZ=2時(shí),ZGNR的平均 Lindemann指數(shù)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值大約在 4800K。NZ=4,6,8時(shí),ZGNR的平均Lindemann指數(shù)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值基本保持在5000K左右。在5000K溫度下,Lindemann指數(shù)隨著溫度的增加而緩慢地線性增大,并隨著帶寬的增大,Lindemann指數(shù)曲線的斜率逐漸減小。從5000K到更高的溫度,Lindemann指數(shù)開始背離原來的線性增長關(guān)系,到5500K完全變成急速增長的行為。從四種帶寬的 ZGNR的平均Lindemann指數(shù)可以知道,隨著條帶寬度的增加,ZGNR的熔化溫度變化稍高,起伏范圍在5000K左右。

        圖2.同帶寬ZGNR的平均Lindemann指數(shù)與溫度的關(guān)系

        下面我們考慮帶長(9.8384nm),帶寬(NZ=6)的ZGNR(C480)在不同溫度下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。不同溫度下的模擬結(jié)果也表明,ZGNR在各種溫度下都會(huì)不同程度地發(fā)生扭曲,溫度越高變形越大,C-C鍵長越長,ZGNR在5000K溫度下仍保持其六方網(wǎng)格的完整性。

        圖3.GNR-C480的平均Lindemann指數(shù)隨溫度變化曲線

        計(jì)算ZGNR-C480的平均Lindemann指數(shù),其與模擬溫度的關(guān)系如圖 3所示。圖 3左上角小圖模擬溫度分別為1000K、4000K和5300K條件下的ZGNR模擬結(jié)果。從圖3中能清晰地看出 ZGNR平均 Lindemann指數(shù)在模擬溫度5300K左右發(fā)生了明顯的變化。5300K以下,Lindemann指數(shù)隨溫度增加緩慢地線性增大,說明原子在初始位置附近做典型的熱振動(dòng)。從5300K到更高的溫度,Lindemann指數(shù)開始背離原來的線性增長關(guān)系,到 5500K完全變成急速增長的行為。對(duì)比具有相同帶寬(NZ=6)的ZGNR,發(fā)現(xiàn)將帶長增長時(shí)其熔化溫度會(huì)升高一點(diǎn)點(diǎn)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)隨著模擬溫度的增加,ZGNR邊緣首先出現(xiàn)C鍵的斷裂,接著斷裂的C鍵發(fā)生重構(gòu),熔化是從ZGNR的邊緣開始的。

        通過對(duì)ZGNR的熱穩(wěn)定性研究,我們發(fā)現(xiàn),ZGNR的熔化溫度在5000K左右,隨著ZGNR條帶的增長,帶寬NZ的增大,熔化溫度升高,并且熔化是從條帶邊緣開始的。

        2.2.GNR的熱穩(wěn)定性研究

        考慮具有相同帶長(5.964nm),不同帶寬(NA)的 AGNR的熱穩(wěn)定性。AGNR帶寬 NA的計(jì)算方法如圖 4所示。對(duì)AGNR在不同溫度下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。不同溫度下的模擬結(jié)果與 ZGNR的模擬結(jié)果類似。研究表明,不同帶寬的AGNR在各種溫度下也都會(huì)不同程度地發(fā)生扭曲,溫度越高扭曲越劇烈,條帶變形越大,C-C鍵長也越長。AGNR在4500K溫度下仍保持其六方網(wǎng)格的完整性。

        圖4.GNR帶寬的定義示意圖

        將不同帶寬(NA=3,5,7,9)的AGNR在不同溫度下模擬,計(jì)算出不同條帶的平均Lindemann指數(shù),其與溫度的關(guān)系如圖 5所示。從圖 5中能清晰地看出,AGNR的平均Lindemann指數(shù)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值基本保持在 4500K左右。4500K以下,Lindemann指數(shù)隨溫度增加緩慢地線性增大,并且隨著帶寬的增加Lindemann指數(shù)曲線的斜率逐漸減小。從4500K到更高的溫度,Lindemann指數(shù)開始背離原來的線性增長關(guān)系,到 5000K完全變成急速增長的行為。從圖5中還能發(fā)現(xiàn),模擬溫度4500K左右正好對(duì)應(yīng)0.04δ≈,這與納米顆粒和聚合物的熔化判據(jù)基本一致。帶寬的變化對(duì)AGNR熔化的影響并不是很明顯。

        圖5.同帶寬AGNR的平均Lindemann指數(shù)與溫度的關(guān)系

        我們將帶長(8.9460nm),帶寬(NA=11)的 AGNR(C462)在不同溫度下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。計(jì)算 AGNR的Lindemann指數(shù),其平均Lindemann指數(shù)與模擬溫度的關(guān)系如圖6所示。圖6左上角小圖模擬溫度分別為1000K、3500K和4800K條件下AGNR的模擬結(jié)果。從圖6中能清晰地看出AGNR平均Lindemann指數(shù)在模擬溫度4800K左右發(fā)生了明顯的變化,4800K以下,Lindemann指數(shù)隨溫度增加緩慢地線性增大,從4800K到更高的溫度,Lindemann指數(shù)開始背離原來的線性增長關(guān)系,到 5000K完全變成急速增長的行為。溫度4800K時(shí)的Lindemann指數(shù)突變點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)≈ 0 .03~0.05,這也與納米顆粒和聚合物的熔化判據(jù)一致。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)AGNR條帶增長增寬后,其熔化溫度會(huì)隨之升高,并且條帶邊緣首先出現(xiàn) C鍵的斷裂,進(jìn)而出現(xiàn) C鍵的重構(gòu),這與ZGNR一樣,AGNR也是從條帶邊緣開始熔化的。

        圖6.GNR-C462的平均Lindemann指數(shù)隨溫度變化曲線

        3. 結(jié)

        采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)不同帶寬、帶長的 ZGNR和AGNR模型在不同溫度下進(jìn)行模擬,以Lindemann指數(shù)作為條帶熔化的判據(jù)。根據(jù) ZGNR和 AGNR的平均Lindemann指數(shù)與模擬溫度的關(guān)系,可以推定ZGNR的整體熔化溫度約為5000K~5500K,AGNR的整體熔化溫度約為4500K~5000K,并且條帶的熔化受其帶寬帶長的影響。這兩個(gè)熔化溫度略高于石墨的熔化溫度 4450K和碳納米管的熔化溫度4800K,并且ZGNR的Lindemann指數(shù)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)比AGNR的要高些,說明ZGNR的熱穩(wěn)定性比AGNR相對(duì)要好些。在熔化溫度以上,ZGNR和AGNR邊沿的C-C鍵均出現(xiàn)大量的斷裂,斷裂的 C鍵發(fā)生重構(gòu),形成五邊形和七邊形。ZGNR和AGNR的熔化都是從條帶邊沿開始。

        [1]Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J]. Science,2004, 306: 666-669.

        [2]Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al.Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene[J]. Nature (London), 2005, 438: 197-200.

        [3]Zhang Y, Tan Y W, Stormer H L, et al. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene[J]. Nature (London), 2005, 438: 201-204.

        [4]Berger C, Song Z M, Li X B, et al. Electronic confinement and coherence in patterned epitaxial graphene[J]. Science,2006, 312: 1191-1196.

        [5]Berger C, Song Z, Li T, et al. Ultrathin Epitaxial Graphite:2D Electron Gas Properties and a Route toward Graphene-based Nanoelectronics[J]. J. Phys. Chem. B, 2004,108: 19912-19916.

        [6]Novoselov K S, Jiang D, Schedin F, el at. Two-dimensional atomic crystals[J]. Pro. National. Aca. Sci, 2005, 102(30):10451-10453.

        [7]Fujita M, Wakabayashi K, Naka K, et al. Peculiar localized state at zigzag graphite edge[J]. J. Phys. Soc. Jpn, 1996, 65:1920-1923.

        [8]Nakada K, Fujita M, Dresselhaus G, et al.Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence[J]. Phys. Rev. B, 1996, 54(24): 17954-17961.

        [9]Sasaki K, Murakami S, Saito R. Gauge field for edge state in graphene[J]. J. Phys. Soc. Jpn, 2006, 75(7): 074713(8).

        [10]Sasaki K, Murakami S, Saito R. Stabilization mechanism of edge states in graphene[J]. Appl. Phys. Lett., 2006, 88(11):113110(3).

        [11]Wakabayashi K, Fujita M, Ajiki H, et al. Electronic and magnetic properties of nanographite ribbons[J]. Phys. Rev.B, 1999, 59(12): 8271-8282.

        [12]Ezawa M. Peculiar width dependence of the electronic properties of carbon nanoribbons[J]. Phys. Rev. B, 2006,73(4): 045432(8).

        [13]Brey L, Ferting H A. Electronic states of Graphene nanoribbons studied with the dirac equation[J]. Phys Rev B,2006, 73:235411-235415.

        [14]Son Y W, Cohen M L , Louie S G. Half-metallic Graphene nanoribbons[J]. Nature, 2006, 444: 347-349.

        [15]Zhang K W, Stocks G M, Zhong J X. Melting and premelting of carbon nanotubes[J]. Nanotechnology, 2007,18:2857031-2857035.

        [16]Lindemann F A. The calculation of molecular vibration frequencies[J]. Phys Z, 1910, 11: 609-612.

        [17]Zhou Y, Karplus M, Ball K D, et al. The distance fluctuation criterion for melting: Comparison of square-well andMorsepotentialmodelsforclustersand homopolymers[J]. J Chem Phys, 2002, 116: 2323-2329.

        [18]Tersoff J. Modeling solid-state chemistry: interatomic potential for multicomponent systems[J]. Phys Rev B, 1989,39: 5566-5568.

        [19]Schelling P K, Keblinski P. Thermal expansion of carbon structures[J]. Phys Rev B, 2003, 68: 354251-354257.

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