石墨烯缺陷的解释

上一篇 / 下一篇  2011-05-20 14:47:30

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  最近法国和芬兰研究者在ACS NANO上发了一篇关于石墨烯缺陷的论文,

  Structural Defects in Graphene(Florian Banhart†*, Jani Kotakoski‡*, and Arkady V. Krasheninnikov‡§*)

  很受关注, 成为点击率最高的文章之一。我在去年博文中对于石墨烯的稳定性给出了一个理论解释。我认为此文对于石墨烯缺陷的观察正好印证了我的观点,石墨烯是依靠边界或者褶皱缺陷形成的边界而稳定存在的。但是其理论解释

  存在明显不足之处,引用了多种模型Mermin−Wagner theorem,Stone−Wales defect,defect reconstruction,displacement threshold,Jahn−Teller distortion,对于缺陷类型也进行了分类总结。但是实际上该文在讨论石墨烯缺陷时,是局部化和定态的分析了缺陷的效应。像Stone−Wales defect模型,它实际忽视了一个问题。那就是变形缺陷重组形成新的化学键后,其影响作用是不限于临近的碳原子化学键的,该文对此缺陷的影响范围完全低估了,实际其影响范围涵盖了缺陷周围十几微米范围的碳原子的化学键。同样对于断键模型,也存在类似问题,往往只计算缺陷局部的电子能级变化,而未考虑实际临近的范围碳原子周围的电子的能级都受到影响而变化,这些变化导致这些电子能级存在阶梯分布的差异化,所以计算时必需把缺陷周围十几微米范围内的碳原子周围的电子都作为计算考虑对象,才能得到更精确的结果。该文的解释都把缺陷作用局部化了,而对于纳米石墨烯材料来说这是会导致极大误差的。

  实际这就涉及电子云杂化轨道理论还适用不适用纳米材料的问题,杂化轨道理论很好的解释很多问题。但是它是它忽视了每一个化学键在动态分布中都会有差异,而简单的均化处理了。对于一个宏观物体来说,这是可以忽略不计的误差。但是对于纳米石墨烯材料来说,这种均化处理把大量的化学键平均化视作完全相同,必然出现误差。实际石墨烯缺陷周围碳碳化学键是围绕着缺陷,随着距离缺陷处的远近而各不相同的。这可以简单的碳原子(质心)和化学键(弹簧)近似模型来理解,缺陷出的碳碳键可视为是一个内部封闭边界处的碳原子,此时出现缺陷后,它的化学键变强(形成短而强的弹簧作用),而对于临近的化学键(弹簧)发生作用,而且会发生衰减,缺陷边界的效应会因此传播一定有限的距离范围。还可以从电子云分布角度也很好理解,缺陷边界处电子云发生轨道重新分布杂化,但是临近的电子云分布也会受到影响,这些电子云会影响更远一些的电子云分布,这是一个连锁效应,但是因为缺陷处电子云重分布后其能级变化值是有限的,所以其影响作用范围也有限。经典的电子轨道杂化理论在解释一个极小空间范围内的电子云分布时,其均化处理化学键的方法误差已不可以忽略,并不适用了。

  实际科研需要深入和细致,只有这样才会得出更准确合理的结果。


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