液相剥离石墨烯稳定性的计算模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)
1.1课题背景及意义
21世纪初,能够单独存在,有史以来最薄的二维晶体—单层石墨烯研制成功[1],在物理学上具有突破性意义。此后,在科学领域和应用领域,石墨烯都得到了极为广泛和深入的研究。石墨烯研究和应用的快速发展主要归功于其优异的性能如力学、热学、光学、电学等,另一方面也因其原料成本低、污染程度小,有利于推动绿色健康工业的发展、保障人身安全,对社会的进步有着重要的意义。
石墨烯是迄今为止已发现的最薄的物质,厚度为一个原子的尺度,经推算,其面密度为0.77 mg/m2[2]。其结构为碳原子以sp2杂化轨道排列构成的单层二维晶体,其晶格呈六边形蜂巢状。每个碳原子与周围3个相邻碳原子以sp2杂化轨道形成3个σ键,碳-碳键的键长约为0.142 nm,键与键之间的夹角为120°[3]。每个碳原子贡献剩下的一个p轨道电子形成大π键。单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构,是构建其他维数碳材料的基础结构单元。单层石墨烯卷成筒状可看作一维碳纳米管[4],而石墨烯六角网面之间通过π电子相互作用也可形成三维体相石墨。石墨烯是已知物质中强度和硬度最高的物质。实验测得石墨烯的弹性模量高达1.0 TPa,断裂强度为42 N/m[5,6],强度为钢的100倍以上。但需指出,以上测得的力学参数均为石墨烯的面内值,实际上,石墨烯的力学性能有着显著的各向异性,这是由于石墨烯层间的联系为弱相互作用(范德华力或π电子之间的耦合作用)。石墨烯还是一种完美的热导体,有着很高的热导率,室温下的实验值约为5000 W/(m·K)[7],而理论值为6000 W/(m·K),此值为室温下金属铜的10倍之多[8],碳的几种同素异构体都具有很高的热导率,而石墨烯则是其中最高的材料,得益于极高的热导率其在微电子器件方面将有广阔的应用前景。石墨烯也具有优异的光学性能,高透光性和低反射率。单层石墨烯对白光的透过率有97.7 %而反射率小于0.1 %[9]。同是也具有非线性光学特征:对入射光的吸收会达到饱和,且对光波有较低的饱和通量。石墨烯自身的原子结构决定了其具有很独特的电学性质,同时还拥有导带结构,所以其具有很高的电荷传输能力[10]。
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