白清順 沈榮琦 何欣 劉順 張飛虎 郭永博

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

1 引 言

一般情況下制備石墨烯的方法是直接在銅基底上化學(xué)氣相沉積石墨烯,在后續(xù)操作中需要將石墨烯轉(zhuǎn)移到其他基底上進(jìn)行應(yīng)用.因此,石墨烯的黏附與界面分離就顯得十分重要[1?4].石墨烯的表面形貌受基底結(jié)構(gòu)和特性的影響,最近的研究表明:石墨烯可以部分順應(yīng)有微結(jié)構(gòu)的基底表面.Gao和Huang[5]從理論上指出石墨烯的形貌受石墨烯與基底的范德瓦耳斯相互作用的影響,而基底的表面形貌則影響了石墨烯在其表面的黏附特性.韓同偉和賀鵬飛[6]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了石墨烯的弛豫特性,并指出石墨烯并非完美的平整表面,而是在邊緣出現(xiàn)波紋褶皺,并且邊緣的波動(dòng)程度比中間要大.王衛(wèi)東等[7,8]則研究了石墨烯在銅和二氧化硅表面的弛豫特性,得出:長(zhǎng)寬比越大的石墨烯,在弛豫過程中,其波動(dòng)程度越大.Tang等[9]研究了石墨烯在具有分散凸臺(tái)基底表面的吸附,并指出石墨烯在微結(jié)構(gòu)表面吸附所呈現(xiàn)的三種構(gòu)型.此外,許多學(xué)者研究了石墨烯的剝離行為,在研究中發(fā)現(xiàn)剝離過程和平均剝離力取決于初始的吸附界面形貌,而吸附界面形貌則受石墨烯的長(zhǎng)度和基底表面形貌的影響[10].為了進(jìn)一步研究石墨烯在基底表面的黏附,有學(xué)者建立理論模型指出石墨烯的黏附特性與階梯狀基底的階梯高度、寬度和黏附角度有關(guān)[11].實(shí)驗(yàn)研究也得到了同樣的結(jié)果,黏附形貌分為完全貼合、部分貼合以及完全懸浮[12].實(shí)際上,真實(shí)的基底形貌是粗糙并且高低不平的.實(shí)驗(yàn)研究石墨烯薄膜在不平整表面或者階梯表面的形貌有很多,例如Cu[13],Ni[14,15],SiC[16,17]和SiO2[18].許多學(xué)者也致力于通過改變基底的結(jié)構(gòu)參數(shù)從而使石墨烯能夠在三種黏附形貌之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,但實(shí)驗(yàn)研究也存在局限性,如無法控制石墨烯與基底的初始角度、實(shí)驗(yàn)過程許多因素都不可預(yù)料.因此,需要開展石墨烯與基底黏附特性的理論研究工作,從而揭示石墨烯的黏附機(jī)理.

2 理論計(jì)算方法

具有階梯微結(jié)構(gòu)表面的金屬鋁模型將作為石墨烯薄膜黏附接觸的基底.通過改變階梯槽的深度h和跨度l1來形成不同尺寸參數(shù)的微結(jié)構(gòu)表面,并探討槽深和跨度對(duì)吸附能的影響規(guī)律.其中槽深h設(shè)置尺寸參數(shù)分別為2,4,5,6,7,9,11,14 ?.跨度l1分別為20,22,24,28,31,33和41 ?,結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.圖中高度H固定為12 ?,寬度l2固定為10 ?.基底長(zhǎng)寬為310 ?×310 ?,石墨烯長(zhǎng)寬為270 ?×230.065 ?.階梯微結(jié)構(gòu)的三維圖見圖2.初始時(shí),石墨烯置于階梯微結(jié)構(gòu)上方5 ?處.x×y方向定為周期性邊界條件,z方向定為自由邊界條件.本工作中采用嵌入原子勢(shì)函數(shù)描述石墨烯內(nèi)部碳原子之間的相互作用,Lennard-Jones(L-J)項(xiàng)截?cái)喟霃綖? ?[19].采用EAM勢(shì)函數(shù)描述鋁(100)原子之間的相互作用.并采用L-J勢(shì)描述石墨烯與鋁之間的相互作用,本文中采用ε=9.97 meV和σ=4.18 ?[20],截?cái)喟霃綖? ?.鋁基底在x×y方向的超胞大小為77×77,所有的模擬都在NVT系綜下進(jìn)行計(jì)算,采用Nose-Hoover方法將石墨烯溫度控制在10 K,本工作中溫度阻尼系數(shù)設(shè)定為時(shí)間步長(zhǎng)的100倍,石墨烯溫度保持在設(shè)定值附近,誤差不超過目標(biāo)溫度的10%.模擬步長(zhǎng)設(shè)為1 fs,模擬時(shí)間至少30 ps,直到體系勢(shì)能變化幅度在5%以內(nèi)并最小,本工作模擬時(shí)間為50 ps.

石墨烯從基底的剝離行為采用等溫拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬方法進(jìn)行研究,并選取石墨烯在基底表面吸附達(dá)到穩(wěn)定的構(gòu)型為起始點(diǎn),溫度控制在10 K,時(shí)間步長(zhǎng)取1 fs.圖3所示為石墨烯剝離的仿真模型.如圖3所示,石墨烯右邊緣的所有原子與一個(gè)彈簧相連,彈簧的彈性系數(shù)設(shè)為20 eV/?.彈簧的另一端以一個(gè)恒定速度v=0.6 ?·ps?1和角度β=90°向上拉,石墨烯左邊緣處于自由狀態(tài).整個(gè)模擬過程使用Velocity-Verlet算法更新原子速度和位置.為了更加準(zhǔn)確地反映出剝離特性,仿真在每拉伸0.6 ?的步數(shù)內(nèi)對(duì)彈簧所測(cè)的剝離力和剝離距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均.根據(jù)胡克定律,理想彈簧所測(cè)到的力滿足F=k(X2?X1).

圖1 階梯結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)示意圖Fig.1.The diagram of the dimensions of the stepped substrate.

圖2 微結(jié)構(gòu)基底三維視圖Fig.2.The three-dimensional diagram of microstructure substrate.

圖3 剝離過程仿真模型示意圖Fig.3.The diagram of peeling process simulation model.

3 結(jié)果與討論

3.1 槽深對(duì)石墨烯吸附構(gòu)型的影響

本文研究了六種不同深度的矩形微結(jié)構(gòu)槽,如圖4所示,跨度l1=20 ?.從吸附能的角度,分析六種槽深對(duì)石墨烯在鋁表面的吸附影響.從圖4可以看出只有在槽深h為2 ?時(shí),石墨烯才能完全貼合基底表面,此時(shí)吸附能最大,如表1所列,這與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果相一致[12].當(dāng)槽深為4 ?時(shí),石墨烯完全懸浮于微結(jié)構(gòu)表面,與槽底沒有任何接觸.該跨度(l1=20 ?)條件下,石墨烯吸附構(gòu)型只有兩種,由懸浮構(gòu)型直接過渡到完全貼合構(gòu)型.

根據(jù)彈性理論,當(dāng)薄膜的厚度逐漸變小并接近于零時(shí),該薄膜的抗彎剛度就會(huì)消失,而理論模擬顯示石墨烯具有一定的抗彎剛度,原因是石墨烯內(nèi)部碳原子之間的相互作用.從吸附能來看,當(dāng)體系平衡時(shí),雖然槽深不一致,但石墨烯的吸附構(gòu)型卻一致,即石墨烯懸浮于微結(jié)構(gòu)表面.此時(shí)石墨烯與基底的吸附能較小,并且彼此之間的差異很小,因?yàn)榇藭r(shí)石墨烯不與矩形微結(jié)構(gòu)槽底接觸,盡管槽深不一致,但石墨烯與矩形微結(jié)構(gòu)基底的接觸面積都是相同的.

當(dāng)槽深越大,鋁原子對(duì)碳原子的吸引作用越小,而對(duì)于較小的槽深,雖然鋁原子對(duì)碳原子的吸引作用有所增強(qiáng),但還是無法克服石墨烯自身的抗彎剛度,結(jié)果還是石墨烯懸浮于微結(jié)構(gòu)表面.從能量守恒的觀點(diǎn)來看,最終的吸附構(gòu)型是石墨烯彎曲能、拉伸導(dǎo)致的應(yīng)變能和界面吸附能之間的競(jìng)爭(zhēng),如果吸附能大于石墨烯自身的彎曲能和應(yīng)變能,則石墨烯就會(huì)完全貼合基底表面,反之就會(huì)出現(xiàn)部分貼合和完全懸浮的狀態(tài).

圖4 石墨烯在不同槽深微結(jié)構(gòu)表面的吸附構(gòu)型(a)槽深h=2 ?;(b) 槽深h=5 ?;(c) 槽深h=9 ?;(d) 槽深h=14 ?Fig.4.The adsorption con figurations of graphene on the surface of microstructures with different groove depths:(a)h=2 ?;(b)h=5 ?;(c)h=9 ?;(d)h=14 ?.

表1 石墨烯在不同槽深表面的吸附能Table 1.The adsorption energy of graphene in different groove depths.

3.2 跨度對(duì)石墨烯吸附構(gòu)型的影響

在給定槽深的基礎(chǔ)上改變跨度,跨度分別設(shè)置為20,22,24,28,31,33和41 ?,槽深仍然是前述六個(gè)數(shù)值.如圖5所示,由模擬結(jié)果可以看出,當(dāng)槽深不變時(shí),持續(xù)增大微結(jié)構(gòu)的跨度,石墨烯的吸附構(gòu)型就由懸浮向部分貼合轉(zhuǎn)變,最終變?yōu)橥耆N合.因?yàn)椴凵畈蛔?持續(xù)增大的跨度導(dǎo)致石墨烯完全貼合基底表面所需的彎曲能逐漸減少,但該規(guī)律并不是適用所有情況,當(dāng)槽深為5 ?時(shí),隨著跨度的增大,可以觀察到石墨烯的吸附構(gòu)型由部分貼合到完全貼合再到部分貼合,最終轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆N合的狀態(tài).出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是吸附開始時(shí),石墨烯中間部位先與基底接觸,但并沒有完全貼合微結(jié)構(gòu)表面,接著左右邊緣在與基底的范德瓦耳斯作用下正好貼合寬度l2,如圖6所示.而矩形槽底對(duì)石墨烯的吸附作用很難克服二者之間的界面摩擦,所以導(dǎo)致部分貼合基底的吸附構(gòu)型.對(duì)于其他情況,只有一個(gè)邊緣貼合寬度l2時(shí),由于跨度l1變大,就很容易克服摩擦作用,形成完全貼合基底的構(gòu)型.因此當(dāng)石墨烯的左右邊緣同時(shí)吸附在寬度l2時(shí),會(huì)出現(xiàn)盡管跨度l1很大,但仍然無法完全貼合矩形微結(jié)構(gòu)表面.

圖5 石墨烯吸附構(gòu)型相圖Fig.5.The phase diagram of graphene adsorption con figuration.

圖6 寬度l2對(duì)石墨烯邊緣的吸附作用(a)10 ps;(b)20 ps;(c)30 ps;(d)50 psFig.6.Effect of l2on the adsorption con figuration of grapheme:(a)10 ps;(b)20 ps;(c)30 ps;(d)50 ps.

槽深越大,石墨烯越不容易由部分貼合的狀態(tài)向完全貼合的狀態(tài)轉(zhuǎn)變.此外,當(dāng)槽深大于2 ?時(shí),石墨烯的吸附構(gòu)型便出現(xiàn)懸浮狀態(tài);當(dāng)跨度超過28 ?,石墨烯的吸附構(gòu)型便轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠仲N合狀態(tài).當(dāng)槽深繼續(xù)增大時(shí),石墨烯完全貼合基底所需的跨度也就越大.相比槽深,我們認(rèn)為跨度對(duì)石墨烯吸附構(gòu)型的影響更大.因?yàn)槟M結(jié)果顯示槽深固定,增大跨度,石墨烯出現(xiàn)懸浮吸附構(gòu)型的次數(shù)很少.例如槽深為14 ?時(shí),石墨烯懸浮構(gòu)型只在跨度為20和22 ?時(shí)出現(xiàn),跨度變?yōu)?4 ?時(shí),吸附構(gòu)型便轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠仲N合狀態(tài).即使槽深為7 ?,跨度為28 ?時(shí),吸附構(gòu)型也轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠仲N合狀態(tài),如果槽深的影響較大,則石墨烯還應(yīng)該保持懸浮狀態(tài)不變.仿真結(jié)果表明跨度對(duì)石墨烯吸附構(gòu)型的影響比槽深要大.

為了進(jìn)一步探討石墨烯吸附構(gòu)型轉(zhuǎn)變的條件,利用跨度(l1)/槽深(h)的數(shù)值λ作為微結(jié)構(gòu)的特征參數(shù),當(dāng)槽深h=4 ?時(shí),跨度l1=20 ?,此時(shí)石墨烯處于懸浮狀態(tài),特征參數(shù)λ=5,此時(shí)的特征參數(shù)是最大數(shù)值,即只要石墨烯的吸附構(gòu)型是懸浮狀態(tài),那么微結(jié)構(gòu)表面的特征參數(shù)λ就不會(huì)超過5,如圖5所示.

表2列出了石墨烯處于不同吸附構(gòu)型時(shí)的吸附能.從吸附能來看,處于部分貼合狀態(tài)的石墨烯,其吸附能介于懸浮狀態(tài)和完全貼合狀態(tài)之間,懸浮狀態(tài)的吸附能最小,完全貼合狀態(tài)的吸附能最大.研究發(fā)現(xiàn)懸浮構(gòu)型向部分貼合構(gòu)型轉(zhuǎn)變的吸附能大約在360 eV·??2.吸附能的大小與平衡態(tài)吸附構(gòu)型有關(guān),且主要取決于吸附區(qū)域.當(dāng)吸附構(gòu)型穩(wěn)定時(shí),吸附能的大小也趨于一個(gè)穩(wěn)定值,并且隨著λ的增大,吸附能的大小也逐漸增大,跨度足夠大時(shí),此時(shí)的吸附能與石墨烯在平整表面的吸附能大小接近.

表2 基底尺寸參數(shù)與吸附能Table 2.Size parameters of substrate and adsorption energy.

3.3 石墨烯納米微結(jié)構(gòu)表面剝離過程的分析

將薄板從黏附基底上剝離可以看作是線性彈性連續(xù)體模型,已有學(xué)者研究過這種現(xiàn)象[21].從平整表面剝離,考慮剝離過程中的能量變化和能量守恒定律,給石墨烯一個(gè)虛擬的剝離距離Δc.此過程中需要考慮三個(gè)能量:一是吸附能量變化?bΔγΔc;二是勢(shì)能變化F(1?cosθ)Δc;三是彈性能變化F2Δc/(2btfYB).不考慮動(dòng)能和其他能量的變化,將上述三個(gè)能量進(jìn)行合并,就可以得到關(guān)于最大剝離力的表達(dá)式[21]其中b表示石墨烯薄膜寬度(nm),θ表示剝離角度(°),tf表示石墨烯薄膜厚度(nm),YB表示石墨烯楊氏模量(TPa).(1)式中由于楊氏模量YB遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F,所以(1)式左邊第三項(xiàng)可以忽略,將模擬過程中得到的最大剝離力Fmax=1.91 nN代入(1)式中可得表面能Δγ=0.5457 nN/nm.

圖7所示為石墨烯剝離過程.本文比較了懸浮吸附構(gòu)型(λ=3.33)、部分貼合(λ=4.67)、完全貼合(λ=6.83)三種吸附構(gòu)型石墨烯的剝離距離和剝離力變化曲線.從圖8(a)可以看出從平整表面剝離石墨烯時(shí),石墨烯的運(yùn)動(dòng)以分離為主.由于突然的速度標(biāo)定引起的體系動(dòng)能波動(dòng)幅度變大,所形成的不穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致初始剝離力很大,之后剝離過程進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),剝離力趨向于一個(gè)常數(shù).對(duì)帶有納米微結(jié)構(gòu)的表面,剝離力變化則非常劇烈,這與Chen等[10]觀察到的現(xiàn)象一致.產(chǎn)生劇烈變化的原因是石墨烯與基底沒有貼合的區(qū)域,剝離力便減小,而貼合的區(qū)域,剝離力就立即增大,從貼合區(qū)域過渡到懸浮區(qū)域時(shí),剝離力可能出現(xiàn)為零的情況.圖8(b)中剝離力的變化具有周期性,當(dāng)λ變大時(shí),兩個(gè)峰值之間的距離就變大.剝離懸浮吸附構(gòu)型的石墨烯與從平整表面剝離石墨烯相似.

當(dāng)石墨烯完全貼合基底時(shí),剝離力變化更加劇烈,平均剝離力也是最大的.從圖8(c)來看,初始剝離階段的剝離力沒有很大波動(dòng)的原因是剛開始剝離時(shí),石墨烯貼合基底表面,相當(dāng)于從平坦表面剝離,所以剝離力變化較平緩.之后由于表面不平導(dǎo)致剝離力變化峰值較多,剝離力變化也呈現(xiàn)周期性規(guī)律.此時(shí)石墨烯的運(yùn)動(dòng)由滑移和分離組成,石墨烯直接滑過矩形槽.理論分析石墨烯部分貼合基底較困難,但對(duì)于完全貼合基底的情況則相對(duì)容易一些.圖8(d)是石墨烯薄膜在階梯微結(jié)構(gòu)表面黏附的幾何關(guān)系圖,圖中區(qū)域I和III表示基底平整部分,區(qū)域II表示基底階梯部分.根據(jù)能量守恒定律,可得到[10]

式中Δγ表示表面能(nN/nm),A表示石墨烯與微結(jié)構(gòu)基底的實(shí)際接觸面積,Uel表示石墨烯彈性應(yīng)變能.平均剝離力定義為[10]

式中Le表示有效的剝離距離.在不同的區(qū)域石墨烯彎曲能Uel計(jì)算公式為[11]

式中εf表示石墨烯薄膜的總應(yīng)變且,其中ε0表示石墨烯表面原子層的應(yīng)變,ε//,(hkl)是指(hkl)方向的界面層應(yīng)變;Ly是鋁基底在y方向上的長(zhǎng)度(nm);Y(tf)表示隨厚度變化的石墨烯楊氏模量(TPa).有效接觸面積,本文中等于寬度l2.因此平均剝離力根據(jù)上述公式推得:

取h=0.5 nm,則R=23.3 nm,根據(jù)公式h/2=R(1?cosθ1)[22],求得θ1=8.4°,Δγ的數(shù)值可以通過模擬石墨烯在平整表面的剝離獲得.表3列出了平均剝離力計(jì)算所需要的相關(guān)參數(shù).將其代入(6)式可得到如圖9所示的曲線,圖中紅色曲線表示平均剝離力理論計(jì)算的結(jié)果,藍(lán)色點(diǎn)表示由分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的平均剝離力數(shù)據(jù).該曲線只表示h=0.5 nm時(shí)的平均剝離力變化情況,可以看出曲線的后半段匹配較好,理論數(shù)值與模擬數(shù)值相差不大,當(dāng)跨度l1為3.3 nm時(shí),石墨烯在階梯微結(jié)構(gòu)表面的吸附構(gòu)型為完全貼合,模擬結(jié)果與理論計(jì)算基本一致.

圖7 石墨烯從微結(jié)構(gòu)表面(λ=6.83,β=π/2)剝離的側(cè)面圖(a)42 ps;(b)71 ps;(c)99 ps;(d)121 psFig.7.The side view of graphene peeling from microstructure surface(λ =6.83,β = π/2):(a)42 ps;(b)71 ps;(c)99 ps;(d)121 ps.

表3 平均剝離力計(jì)算所需要的相關(guān)參數(shù)(r0,h0,a,E,v,YB分別表示界面平衡距離、鍵長(zhǎng)、晶格常數(shù)、單位面積的結(jié)合能、泊松比和楊氏模量)Table 3.The parameters for the calculation of average peeling force(r0,h0,a,E,v and YBare the interface equilibrium distance,bond length,lattice constant,binding energy per unit area,Poisson’s ratio and Young’s modulus respectively).

圖8 剝離力隨剝離距離變化曲線(a)平整表面剝離石墨烯;(b)懸浮于微結(jié)構(gòu)表面剝離;(c)完全貼合基底剝離;(d)石墨烯薄膜在階梯微結(jié)構(gòu)表面黏附的幾何關(guān)系圖(圖中上階梯長(zhǎng)度用Lupterrace表示,下階梯長(zhǎng)度用Ldownterrace表示,θ1表示由于石墨烯彎曲形成的圓心角)Fig.8.Variation curve of the peeling force with the separation distance:(a)Peeling offthe graphene from a flat surface;(b)peeling offsuspended graphene from stepped substrate;(c)peeling offgraphene completely adhere to substrate;(d)the geometric relationship diagram of graphene films adhere to a stepped substrate(the upper step length is expressed by Lupterrace;Ldownterracerepresents the lower step length;θ1represents the central angle formed by the bending of graphene).

上述研究結(jié)果都是基于以90°剝離石墨烯.改變剝離力的方向與水平線的夾角為30°,60°,120°和150°,以這四個(gè)角度分別剝離石墨烯,并比較三種吸附構(gòu)型的剝離力和剝離角度的關(guān)系.90°剝離部分貼合狀態(tài)的石墨烯并不會(huì)出現(xiàn)將吸附于槽底的石墨烯拉平的現(xiàn)象,其剝離過程與從平整表面剝離石墨烯相似.而以60°和30°剝離時(shí),吸附于槽底的石墨烯是直接滑過槽底.整個(gè)剝離過程是石墨烯與基底的吸附能、石墨烯彎曲能和拉伸導(dǎo)致的應(yīng)變能以及界面摩擦消耗的能量相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.如圖10所示,λ越大,則需要的平均剝離力也越大,其中λ=2.8是部分貼合的吸附構(gòu)型,而λ=3.33是懸浮于微結(jié)構(gòu)表面,λ=6.83是石墨烯完全貼合基底表面,剝離角度相同時(shí),決定平均剝離力大小的是有效接觸面積.隨著角度的變大,平均剝離力并沒有一直下降,而是先上升再下降,對(duì)于懸浮構(gòu)型和部分貼合構(gòu)型,平均剝離力在60°左右發(fā)生轉(zhuǎn)折.以小角度剝離石墨烯時(shí),剝離力的水平分量包括部分滑移和部分分離,大角度剝離時(shí),以分離為主,角度為60°時(shí),剪切力和分離力的合力最大,因此剝離力也最大.完全貼合基底的吸附構(gòu)型在90°時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折,因此為了減小剝離力,可以以較大的角度剝離石墨烯.

圖9 理論曲線與模擬數(shù)據(jù)擬結(jié)果Fig.9.The fitting result of theoretical curve and simulation data.

圖10 平均剝離力隨剝離角度的變化Fig.10.Variation curve of the average peeling force with the angle of peeling.

3.4 石墨烯缺陷結(jié)構(gòu)和數(shù)量對(duì)平均剝離力的影響

缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)剝離力也會(huì)產(chǎn)生影響.圖11所示為從平整基底表面剝離具有缺陷結(jié)構(gòu)的石墨烯,圖中SV(single vacancy)表示單空位缺陷.可以明顯看出與完美石墨烯(P)相比,具有空位缺陷結(jié)構(gòu)的石墨烯更容易從基底表面剝離.在剝離的初始階段,剝離力都較大,隨后逐漸降低,并漸漸平緩.而對(duì)于具有Stone-Wales(SW)缺陷結(jié)構(gòu)的石墨烯,需要的剝離力較大,隨著剝離的持續(xù)進(jìn)行剝離力漸漸變小.不過與其他兩種缺陷相比,剝離力在剝離過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng),說明這種缺陷結(jié)構(gòu)引起的剝離力變化劇烈,主要原因在于SW缺陷增強(qiáng)了石墨烯與基底的相互作用,所以需要的剝離力也較大.缺陷結(jié)構(gòu)種類可以影響最大剝離力的大小,從圖11可以看出最大剝離力出現(xiàn)在剛開始剝離時(shí).以雙空位缺陷(double vacancy,DV)為例,通過不斷增加石墨烯的缺陷數(shù)量,來研究缺陷數(shù)量對(duì)最大剝離力的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn),隨著雙空位缺陷數(shù)量的不斷增加,最大剝離力呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),本工作中缺陷數(shù)量是成倍增加的,但最大剝離力與缺陷數(shù)量的關(guān)系并不是線性關(guān)系,最大剝離力的降低速度是先慢后快,缺陷數(shù)量繼續(xù)增加,最大剝離力反而上升.因此隨著空位缺陷的持續(xù)增加,在一定范圍內(nèi)可以減小最大剝離力,如果超過某個(gè)范圍,則剝離力反而會(huì)變大,如圖11中的內(nèi)插圖所示.

圖11 剝離具有不同缺陷結(jié)構(gòu)石墨烯的剝離力隨剝離距離的變化Fig.11.Variation curves of the peeling force with different defect structure of graphene.

4 結(jié) 論

本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了石墨烯在金屬鋁表面的黏附特性,分析了槽深和跨度對(duì)石墨烯吸附構(gòu)型的影響,在此基礎(chǔ)之上研究了不同吸附構(gòu)型的石墨烯從微結(jié)構(gòu)基底表面剝離的力學(xué)特性.本文的研究可以得到以下結(jié)論:1)具有SW缺陷的石墨烯與基底的吸附能最大,因此從平整表面剝離時(shí),需要的平均剝離力也最大;2)石墨烯在矩形納米微結(jié)構(gòu)表面的吸附構(gòu)型分為三種,完全貼合、部分貼合和懸浮,這三種狀態(tài)的吸附能關(guān)系為,當(dāng)吸附能大于360 eV·??2時(shí),石墨烯的吸附構(gòu)型便由懸浮構(gòu)型向部分貼合構(gòu)型轉(zhuǎn)變;盡管石墨烯的抗彎剛度能夠克服,但石墨烯與基底的界面摩擦也是影響最終吸附構(gòu)型的主要因素;3)從矩形微結(jié)構(gòu)表面剝離石墨烯時(shí),剝離力大小變化非常劇烈,并且呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律,當(dāng)石墨烯是懸浮構(gòu)型時(shí),剝離力會(huì)出現(xiàn)在一段剝離距離內(nèi)劇烈變化,接著立即減小到零以下的情況;隨著剝離角度增大,平均剝離力的大小是先變大后變小;雙空位缺陷的增加,在一定范圍內(nèi)減小了最大剝離力,但超過這個(gè)范圍之后,最大剝離力反而上升.

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