石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维材料，自其成功问世以来，石墨烯以优异的电学、热学、力学等性质迅速成为物理、化学以及材料科学等领域的一颗闪耀新星，在诸多方面有着广阔的应用前景。深入研究石墨烯的特殊性能，探索并实现其潜在应用的前提是其大面积、高质量的可控制备。近年来，石墨烯的各种制备方法不断发展，其中化学气相沉积法因其便捷易操作、可控性高等优点成为制备高质量石墨烯的最有潜力的方法。然而目前化学气相沉积法制备石墨烯的技术有待进一步改进和提高，距离大面积、高质量石墨烯的规模化生产尚有一定的距离，实现这一目标的关键在于对石墨烯微观生长机理进行深入地理解和认识。本文中我们采用自洽电荷-密度泛函紧束缚方法并结合分子动力学模拟技术对镍表面石墨烯的生长过程进行量子化学分子动力学模拟，明晰了石墨烯原子尺度的生长机理。　　(1)研究了石墨烯从无定型镍碳化合物中的生长过程，探讨了碳密度对石墨烯成核生长机理和相应动力学过程的影响。模拟结果表明，镍碳化合物中的碳密度对石墨烯的成核生长机理影响不大。高温下镍碳化合物的内部碳原子会快速析出，在镍表面形成碳链，碳链之间相互聚集并进一步成环。另一方面，石墨烯生长的动力学过程严格依赖于碳的密度，高的碳密度有利于石墨烯的快速析出成核。在低碳密度的条件下容易形成小的碳碎片，这些碎片在镍表面扩散慢且不易聚合，最终导致了小的、零落的石墨烯岛的形成，不能生长成大片石墨烯。所以高碳密度是在镍上生长大片石墨烯的必要条件。　　(2)研究了晶态Ni3C生长石墨烯的动力学过程，并与无定型Ni3C的相应结果进行了对比。模拟结果表明，高温下晶态Ni3C的结构会随内部碳原子的析出被迅速破坏，从而转变为无定型结构，支持了实验上在高温生长石墨烯过程中不存在晶态镍碳化合物的结论。同时指出Ni3C晶体可以作为一种潜在的源材料（而非中间体）来控制合成单层/多层石墨烯。在石墨烯的成核过程中Ni原子的移动性发挥了很大的作用，不但有利于内部碳原子的快速析出，而且有利于表面碳链的结合及进一步成环。　　(3)对不同成核密度下石墨烯小岛如何在镍表面长大的生长过程进行了分子动力学模拟。模拟结果表明，由于碳碳相互作用强于镍碳相互作用，随着碳原子的析出镍的结构发生相应的互补性的变化。镍阶梯的出现不仅可以通过Ni-Cσ键来稳定石墨烯前驱体，而且可以作为活性位通过互换镍与碳原子或小的碳团簇的位置促进石墨烯的生长。石墨烯成核密度低时，碳原子和小的碳团簇逐渐扩散并附着于石墨烯小岛上。成核密度高时，石墨烯小岛首先采用Smoluchowski熟化机理结合;随着尺寸不断增大及镍阶梯结构的出现，岛的扩散受阻，不同石墨烯岛间的多碳链采用交联机理结合，继续生长成大面积的石墨烯。　　(4)采用已生长完美单层和有缺陷的单层石墨烯的金属镍为模型，研究金属镍表面上双层石墨烯的生长过程。模拟结果表明，上层石墨烯的质量对下层石墨烯的生长机理影响不大，随着内部碳原子的析出及在上层石墨烯和镍表面之间的成链，镍的晶体结构被破坏。但上层石墨烯中的缺陷会导致下层石墨烯的质量有所降低。高质量的上层石墨烯可以作为模板采用层层模式合成高质量的双层石墨烯。因此镍表面上层石墨烯的可控合成对下层石墨烯的生长至关重要。