【摘 要】
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当前石墨烯已经逐步应用于器件领域,并因此而诞生了一系列新兴的物理学分支,如能谷电子学、扭角电子学等,但是它在器件方面的应用仍然面临着许多的问题,例如石墨烯的大尺寸生产技术有待开发,石墨烯在不同环境下服役性能的变化有待进一步评估等。上述这些问题都与石墨烯的表/界面性能密切相关,这就对深入分析石墨烯的表/界面性能及深入探讨石墨烯和环境之间的关系有了更高的要求。基于此,本文使用第一性原理研究了石墨烯的表
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当前石墨烯已经逐步应用于器件领域,并因此而诞生了一系列新兴的物理学分支,如能谷电子学、扭角电子学等,但是它在器件方面的应用仍然面临着许多的问题,例如石墨烯的大尺寸生产技术有待开发,石墨烯在不同环境下服役性能的变化有待进一步评估等。上述这些问题都与石墨烯的表/界面性能密切相关,这就对深入分析石墨烯的表/界面性能及深入探讨石墨烯和环境之间的关系有了更高的要求。基于此,本文使用第一性原理研究了石墨烯的表界面性能和外部环境之间的关系。考虑到环境的复杂性,本文主要研究了以下三类情况:空气污染物、卤素及其氢化物和强氧化性酸与石墨烯表/界面之间的相互作用。上述种类涵盖固-气和固-液接触,且涉及石墨烯基材料从制备到使用的一系列过程。主要的研究内容包含以下几个方面:(1)石墨烯的抗气体渗透性研究。完美石墨烯的高抗渗透性已经被大量的研究所证实,但是在实际中,由于温度场引起的能量起伏和结构起伏以及机械损伤会使得石墨烯出现大量缺陷,这些可能会导致石墨烯失去其高抗渗透性。因此,本节通过第一性原理研究了无缺陷石墨烯及含有点缺陷的石墨烯和空气污染物(O3,OF2,CO,COCl2,N2O,NO,NO2,SO,SO2,SO3)之间的关系。结果表明,对于无缺陷石墨烯而言,大部分的空气污染物和石墨烯之间只存在微弱的物理吸附作用。但是OF2、N2O和NO2可能在高温下与无缺陷石墨烯产生较为强烈的吸附作用。而对于含点缺陷的石墨烯来说,OF2会在其上以较低能量断裂化学键,然后产生中间体OF·,其中这个中间体可能进一步解离形成强氧化性的氧和氟自由基从而危害人体和环境。本工作为评估石墨烯基产品的安全性提供了丰富的数据和有效的指导,这也为进一步开发石墨烯基产品提供了指导。(2)液相剥离法制备卤化石墨烯过程的理论研究。卤化石墨烯是石墨烯家族中的一个重要成员,而深入理解液相剥离法制备卤化石墨烯的过程能够有助于降低制备成本,提高产品质量。因此,本节通过第一性原理研究了石墨烯和卤素氢化物、Br2和I2之间的反应,其中通过吸附能、电荷转移研究了溶剂分子的极性、溶剂分子与点缺陷的匹配度和卤化石墨烯之间的关系。结果表明,卤素氢化物分子和含点缺陷的单层石墨烯反应才能生成卤化石墨烯。同时,只有当卤素和氢原子在同一单层石墨烯上形成共掺杂时,卤化和剥离后的产物才可能是单层的卤化石墨烯。在这个过程中,极性介于HCl和HBr之间的溶剂产生的剥离和卤化的效果会更好。本工作为通过液相剥离法制备二维材料(包括但不限于卤化石墨烯)提供了丰富的理论指导。(3)氧化石墨烯的含氧官能团来源的理论研究。对氧化石墨烯官能团的来源进行研究有助于深入理解与调控它的组成与结构,进而能够根据使用目的来设计氧化石墨烯的性能。因此,本节通过第一性原理分析了石墨烯和H2SO4、HNO3、HMn O4以及HCl O3之间的反应。在这个过程中,本节主要通过态密度、吸附能、电荷转移来分析含氧官能团的来源。结果表明,氧化石墨烯的含氧官能团除了能够来源于空气及溶液中的水之外,还可能来源于因为能量起伏而瞬时存在的高锰酸分子的解离。虽然超声引起的拓扑缺陷能够对含氧官能团的产生具有一定的选择性,但是这种作用远比不上溶液中存在的溶剂化效应,这种溶剂化效应使得HMn O4具有成为含氧官能团来源的可能性。本工作为探究氧化石墨烯上的含氧官能团的来源提供了指引。
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