Failure mechanisms of graphene under tension
最近的实验将纯石墨烯确定为人类已知的最强材料，进一步激发了石墨烯如何失败的问题。利用密度泛函理论，我们揭示了纯石墨烯在一般拉伸状态下的机械破坏机制。一种失效机制是$K_1$ -模式的新的软模式声子不稳定性，由此石墨烯片经历相变并被驱动朝向隔离的苯环，导致强度降低。另一种是通常的弹性失稳，对应于应力-应变曲线中的最大值。结果表明，有限波矢软模是限制单层材料强度的关键因素。
2010-04-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Properties of MoS2/Graphene Heterostructures
我们进行经典的分子动力学模拟，比较研究单层二硫化钼和石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结构在单轴拉伸下的力学性能。我们发现，二硫化钼和石墨烯之间的晶格失配将导致一个自发应变能的界面。MoS2的杨氏模量可以通过将其夹在两个石墨烯层之间而提高五倍。在刚度增强的同时，由于外部石墨烯层由于施加的机械张力而横向屈曲，MoS2的屈服应变降低。
2014-07-26 cond-mat.mtrl-sci
In-plane force fields and elastic properties of graphene
利用第一性原理方法，推导出了适合于描述石墨烯片平面内运动的键拉伸和角弯曲力场。所得到的力场由解析非谐能势函数拟合，为分子力学模拟提供了有效的计算手段。采用分子动力学模拟和第一性原理方法，对石墨烯单层在不同载荷（如单轴拉伸、静水拉伸和剪切应力）下的力学行为进行了数值模拟。应力-应变曲线和弹性常数，如杨氏模量，泊松比，体积模量，剪切模量，计算。我们的结果进行了比较与相应的理论计算，以及与现有的实验估计。最后讨论了非谐性对石墨烯力学性能的影响。
2012-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Temperature dependent elastic constants and ultimate strength of graphene and graphyne
本文基于第一性原理计算结合准谐波近似，重点分析了石墨烯和石墨烯炔的晶格结构、热膨胀系数、弹性常数和极限强度随温度的变化规律.对于线性热膨胀系数，石墨烯和石墨炔两者在低温区域中显示负区域。该系数在高温下增加到正值。石墨烯具有优异的机械性能，杨氏模量E11=371.0 N/m，E22=378.2 N/m，室温下的极限拉伸强度为119.2 GPa。基于我们的分析，发现石墨烯的机械性能对高达1200 K的温度升高具有很强的抵抗力。石墨烯还显示出良好的机械性能，在室温下杨氏模量E11=224.7 N/m，E22=223.9 N/m和极限拉伸强度为81.2 GPa，但是石墨烯的机械性能相对于温度的增加具有比石墨烯更弱的抵抗力。
2012-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory analysis of flexural modes, elastic constants, and corrugations in strained graphene
采用从头算密度泛函理论分析了单层和双层石墨烯的弯曲模式、弹性常数和原子波纹。弯曲模式的频率对压缩应力敏感;其在应力下的变化可通过基于经典弹性理论的简单模型与异常热膨胀相关[Phys. Rev. B 86，144103]。在压缩条件下，弯曲模式是负责长波长的波纹与一个大的振幅和显着的非谐行为。这是比较产生的热波动和轻杂质（氢）的吸附波纹。后者的典型值在亚埃区域，而与弯曲模式相关的最大波纹在压缩应力下快速增加到几埃，这是由于弯曲模式的固有不稳定性
2013-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Elastic plate basis for the deformation and electron diffraction of twisted bilayer graphene on a substrate
基于弹性板理论推导出一组基底，用于量化扭曲双层石墨烯的形变与电子衍射，并通过原子模拟和衍射实验验证了其有效性及对动力学的描述。
2024-07-26 cond-mat.mtrl-sci
Subjecting a graphene monolayer to tension and compression
石墨烯片在拉伸和压缩下的机械行为使用的微束排列检查。采用了两组不同的样品，涉及仅支撑在塑料棒上但也嵌入塑料基材内的薄片。通过监测的位移的二维拉曼线与应变，应力传递效率作为应力符号和单层支撑的函数的信息。在张力下，嵌入的薄片似乎承受高达1.3%的应变，而在压缩下，在约0.7%的应变下存在薄片屈曲的指示。保持这样高的临界屈曲应变证实了嵌入单层的相对高的抗弯刚度。
2009-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Elasticity reshapes heat flow in graphene
Indian Institute of Science（印度科学学院）
研究揭示弹性弯曲刚度的重整化恢复了石墨烯中声子准粒子，改善了热导率并增强了声子流动力学。
2026-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Effect of edge structures on elastic modulus and fracture of graphene nanoribbons under uniaxial tension
基于原子模拟，预测了单层石墨烯纳米带在准静态单轴拉伸下的非线性弹性性质，强调了边缘结构（扶手椅和锯齿形，无氢钝化和有氢钝化）的影响.原子模拟的结果解释热力学的理论框架内，这使得应变相关的边缘能量和氢吸附能的非线性函数的确定，锯齿形和扶手椅边缘。由于边缘效应的影响，石墨烯纳米带在无限小应变下的初始杨氏模量随边缘手性和带宽的变化而变化。此外，发现扶手椅型石墨烯纳米带的标称断裂应变比锯齿形带低得多。两种不同的断裂机制被确定，与锯齿形带和边缘控制的扶手椅带的非均质形核。氢钝化的边缘被发现有锯齿形石墨烯纳米带的机械性能的影响可以忽略不计，但其效果是更显着的扶手椅带。
2010-07-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Dislocation induced energy dissipation in a tunable trilayer graphene resonator
在晶体材料中，位错的产生和调制通常与塑性形变和能量耗散有关。在这里，我们报告的能量耗散的三层石墨烯带谐振器的研究。带的振动对石墨烯带产生循环机械负载，在此期间机械能作为热耗散。测量石墨烯谐振器的品质因数提供了评估能量耗散的方式。石墨烯带与硅微致动器集成在一起，使其面内张力得到微调。当我们逐渐增加张力时，我们观察到，除了众所周知的共振频率增加之外，能量耗散也有很大的变化。我们提出，占主导地位的能量耗散机制转移到三个区域。在较小的张力下，石墨烯处于弹性区，主要的能量耗散是通过石墨烯边缘折叠;随着张力的增加，位错开始在样品中发展，逐渐主导能量耗散;最后，在足够大的张力下，石墨烯层变得解耦，开始滑动并引起摩擦，这导致更严重的能量耗散。通过分子动力学计算模拟了位错的产生和调制过程，提出了计算能量损失的方法，并与实验结果进行了比较。
2021-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nonlinear elasticity of monolayer graphene
结合连续介质弹性理论和紧束缚原子模拟，推导出了石墨烯拉伸弹性的本构非线性应力-应变关系，并计算了相应的所有非线性弹性模量。目前的结果代表了一个强大的图片上的弹性行为的一个原子厚的碳片，并提供了适当的解释最近的实验。特别地，我们讨论了引入的有效非线性弹性模量的物理意义，并预测了它的值，与现有数据吻合得很好。最后，观察和讨论了超弹性软化行为，从而确定石墨烯的破坏性质。
2010-06-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Elastic and non-linear stiffness of graphene: a simple approach
关于石墨烯的杨氏模量和三阶弹性刚度的最近实验[Science \textbf{321}，385（2008）]以非常简单的方法很好地解释，其中石墨烯由简化系统描述，并且非线性相互作用的力常数由Tersoff-Brenner势估计。
2010-01-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Non-linear elastic effects in phase field crystal and amplitude equations: Comparison to ab initio simulations of bcc metals and graphene
我们研究了相位场晶体模型中的非线性弹性形变，并推导了振幅方程。两个来源的非线性被发现，其中之一是基于几何非线性表示通过有限应变张量。它反映了连续体模型的欧拉结构，并正确地描述了刚度的应变依赖性。通常，相关应变张量与左柯西-格林变形张量有关。在各向同性的一维和二维情况下，弹性能可以通过正确的变形张量等效地表示。预测的各向同性低温非线性弹性效应与体心立方的体积模量导数$K'=4$的Birch-Murnaghan状态方程直接相关。二维的推广建议使用$K'_{2D}=5$。这些预测是在协议与各种体心立方元素和石墨烯的大应变体变形的从头计算结果。如果考虑密度波振幅的应变依赖性，则会出现物理非线性，并导致弹性弱化。对于各向异性变形，振幅的大小取决于它们与所施加应变的相对取向。
2016-02-08 cond-mat.mtrl-sci
Embedded trilayer graphene flakes under efficient tensile and compressive loading
嵌入ABA三层石墨烯片加载在聚合物梁上的拉伸和压缩的机械响应通过G或2D峰的应变灵敏度通过同时拉曼测量来监测。所研究的薄片的一个特性是它包含三层和双层部分。Bernal堆叠双层用作应变传感器，旨在评估通过剪切从聚合物基质到各个石墨烯层的负载转移的效率。对于处于拉伸状态的三层石墨烯，两个峰都发生了红移，并且首次报道了G峰的分裂。在压缩，所研究的样品是一个几乎孤立的三层，其中两个峰蓝移到一个临界压缩应变。发现该临界应变是在单层石墨烯的情况下发现的值的四分之一，尽管三层比薄得多的单层表现出更高的弯曲刚度。
2016-07-18 cond-mat.mtrl-sci
Rupture of amorphous graphene via void formation
除了其独特和令人兴奋的电子特性外，石墨烯的许多基于传感器的应用完全基于其机械和结构特性。在这里，我们报告了一个无定形（小域多晶）石墨烯中的空隙的数值和分析研究，并表明空隙的能量是线张力成本与增加的面积增益之间的平衡。使用经典成核理论的概念，我们表明，在恒定的压力下，在无定形石墨烯中形成的空隙的临界半径仅仅是在空隙处的线张力和所施加的压力的比率。在2 eV/cm 2 ${^2}$压力下，平坦和弯曲石墨烯的临界空洞半径值分别为3.48 Ω和3.31 Ω。我们还表明，占主导地位的有限尺寸校正线张力是成反比的半径的空隙在平坦和屈曲的情况下。与传统观点相反，借助一个简单的分析模型，我们发现剪切模量设定了样品中线张力的下限。这使得我们的研究相关的其他二维无定形材料，如h-BN，磷烯，硼氢化物，和过渡金属二硫属化物。我们的研究结果是有用的，更好地了解多晶石墨烯在张力下，因此有直接的影响非常迷人的应变工程领域被称为“应变电子学”，以操纵或改善石墨烯的性能。
2018-06-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Elastic and plastic deformation of graphene, silicene, and boron nitride honeycomb nanoribbons under uniaxial tension: A first-principles density-functional theory study
本研究的弹性和塑性形变的石墨烯，硅烯，氮化硼（BN）蜂窝纳米带在单轴拉伸下确定其弹性常数，并揭示有趣的功能。在弹性范围内的拉伸过程中，电子和磁性可以强烈地改变。特别是，它示出的带隙的一个特定的扶手椅nanoriginates在应变和最高价和最低的导带被线性化下被关闭。这样，即使在半导体纳米晶体中也可以获得无质量的狄拉克费米子行为。在塑性形变下，蜂窝结构不可逆地改变，并提供许多新的结构和功能。笼状结构，甚至悬浮的原子链可以在两个蜂窝状薄片之间衍生。本工作阐述了最近的实验[C. Jin，H.兰湖，澳-地彭，K. Suenaga和S. Iijima，Phys. Rev. Lett. 102，205501（2009）]，从石墨烯衍生碳链。此外，从BN和Si纳米带的原子链的类似的形成进行了预测。
2010-01-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Determination of the elastic moduli of CVD graphene by probing graphene/polymer Bragg stacks
石墨烯已经以微薄片的形式被广泛用于制造具有增强的机械性能的复合材料。由于夹杂物的小尺寸和它们在基体内的随机取向，石墨烯的优异机械性能不能被充分利用。最近，已经尝试通过在聚合物基质的薄层之间插入化学气相沉积（CVD）单层石墨烯的大片来制造纳米层压复合材料。然而，CVD石墨烯不可避免地伴随着在合成过程中形成的褶皱，并且褶皱如何影响石墨烯的机械性能仍然是未知的。在这里，我们采用布里渊光光谱（BLS）研究的弹性模量的CVD石墨烯通过探测石墨烯/聚（甲基丙烯酸甲酯）混合布拉格堆栈在零应变。我们发现CVD石墨烯的杨氏模量和剪切模量，其具有约6 nm的高度的急剧升高的形式的褶皱和约6 nm的FWHM。30 nm，分别为680和290 GPa，前者比剥离的扁平石墨烯低约30%。这项工作揭示了CVD石墨烯的弹性特性，并提供了一种可以扩展到研究其他二维材料中的摩擦诱导软化效应的方法。
2021-09-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Elastic Bending Modulus of Single-Layer Molybdenum Disulphide (MoS2): Finite Thickness Effect
从经验相互作用势出发，推导出单层MoS2（SLMoS2）的弹性弯曲模量的解析公式。通过使用这种方法，我们不需要定义或估计SLMoS2的厚度值，这是很重要的，因为在定义二维或纳米结构（如石墨烯和纳米管）的厚度值时存在很大争议。在SLMoS2中获得的9.61eV的弹性弯曲模量显著高于石墨烯中的1.4eV的弯曲模量，并且发现在使用薄壳理论获得的值与实验获得的SLMoS2的弹性常数的值的范围内。通过我们的解析表达式，与单层石墨烯相比，弯曲模量的这种增加归因于SLMoS2的有限厚度。具体地，虽然S原子的每个单层对弯曲模量贡献1.75eV，这类似于单层石墨烯的1.4eV弯曲模量，但平面外Mo和S原子之间的额外成对和角相互作用对SLMoS2的弯曲模量贡献5.84eV。
2013-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Indentation of a two-dimensional bonded elastic layer with surface tension
表面张力是影响微纳米尺度下固体变形的重要因素。本文研究了表面张力对弹性层与刚性基体二维接触问题的影响。在平面应变假设下，通过傅立叶积分变换，导出了有限宽内均匀分布压力引起的弹性场，并通过线力解的极限过程得到了所需的表面格林函数。针对刚性圆柱压入弹性层的问题，推导了相应的奇异积分方程，并采用基于Gauss-Chebyshev求积公式的有效数值方法进行了求解。从理论和数值计算结果发现，当接触区域的大小与弹性毛细管长度相当时，表面张力的存在强烈地提高了弹性层的硬度，并显著地影响接触压力的分布。此外，还将外载荷与接触半宽之间的近似关系以显式简洁的形式推广，便于实际应用。
2018-02-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Indentation load-depth relation for an elastic layer with surface tension
载荷-深度关系是薄层纳米压痕试验的基本要求，但很少考虑表面张力的影响。本文研究了刚性球对粘结弹性层的微/纳米压痕。首先应用Hankel积分变换推导出包含表面张力的表面格林函数，并将其用于轴对称接触问题的控制积分方程。采用基于Gauss-Chebyshev求积公式的数值方法，有效地求解了奇异积分方程。通过数值计算，研究了表面张力和涂层厚度对接触压力、表面变形和体应力的影响。研究发现，当接触尺寸与表面张力与弹性模量之比相当时，表面张力对载荷-深度关系的贡献变得相当突出。通过参数研究，总结出了压痕载荷-深度关系和载荷-接触半径关系的一般表达式，为实际应用提供了依据。
2018-04-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Biaxial compression of centimeter scale graphene on strictly 2D substrate
研究了厘米级石墨烯在水面上的双轴压缩特性。在这个平台内，我们报告了石墨烯的全应力-应变压缩，识别弹性和塑性形变。杨氏模量遵循比例定律，并且比通常报道的微米级石墨烯样品的值低两个数量级。这样的结果有力地证实了石墨烯-以其非常自然的形式-缺乏任何内在的弹性参数。石墨烯晶格的不同功能化/操作不同地影响石墨烯的力学;特别是探索了sp3杂化和结晶空隙对石墨烯屈服强度的影响。本文首次观察到，石墨烯的褶皱伴随着褶皱的逐渐产生和转变，从而在石墨烯中产生粘弹性。此外，我们报告了一个特殊的石墨烯晶格的形态和应变的分布之间的相关性。
2021-04-04 cond-mat.mtrl-sci
Invariant-theoretic approach to nonlinear hyperelastic constitutive modeling of graphene
我们开发了一个超弹性本构模型的石墨烯-描述面内变形涉及大的各向同性和偏应变-基于不变量理论的方法表示的各向异性函数。应变能量密度函数$ψ$用二维对数应变张量$ \mathbf E^{(0)}$的特殊标量值函数来表示-石墨烯的材料对称群，$\mathcal G = \mathcal C_{6v}$。我们的本构模型符合一个更大的一组\textit{ab initio}能量/应力，同时引入更少的弹性常数比以前提出的模型。特别地，当应变能用对称不变量表示时，材料对称群本质上包含在本构响应函数中;因此，公式中的弹性常数（所有阶）是\textit{a priori}独立的：即，没有两个或多个弹性常数是通过对称性相关联的。这在公式化方面提供了实质性的简化，因为它消除了识别独立弹性常数的需要，识别独立弹性常数的任务可能变得特别麻烦，因为应变能量密度函数中的高阶项被并入。我们通过计算（1）应力和（2）一组均匀有限变形的弹性稳定性极限来验证我们的本构模型-包括沿扶手椅的单轴拉伸/应力和Z字形方向;和等双轴拉伸。模型预测的应力值与直接计算的\textit{ab initio}值吻合较好。声学张量分析预测的弹性稳定极限比较以及从声子计算的预测独立使用线性响应密度泛函微扰理论。
2014-07-07 cond-mat.mtrl-sci
Observation of strain-free rolled-up CVD graphene single layers: towards unstrained heterostructures
通过化学气相沉积（CVD）生产的单层石墨烯箔与InGaAs/Cr的自定位层一起轧制，形成紧凑的多匝管状结构，其由径向超晶格上的连续石墨烯/金属/半导体异质结组成。使用弹性理论和拉曼光谱，我们表明，它是可能的，以产生均匀弯曲的石墨烯的曲率半径在600 nm-1200 nm的范围。此外，管状结构的研究还允许提取与文献中发现的弹性常数非常一致的石墨烯的弹性常数的值。然而，我们的过程的优势，导致一个良好的定义和非局部曲率。由于我们的曲率半径位于使用机械弯曲研究的大半径和原子力显微镜实验诱导的约化半径之间的范围内，我们可以弄清楚弯曲效应是否可以成为石墨烯电子状态修饰的主要驱动力。从这项工作中描述的结果可以假设，曲率效应单独不修改石墨烯的拉曼特征，并且先前观察到的应变现象可以归因于由于局部原子键的形成而引起的拉伸。这意味着在开发应用和设备之前，必须详细研究石墨烯与异质结构上的其他材料的相互作用。
2014-05-09 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation Field Theory in 2D: Application to Graphene
介绍了一种二维位错连续体理论。本理论在经典的弹性能量密度基础上增加了弹性转动、位错密度和背景应力。该理论包含四个材料模量。根据四种材料模量定义了两种特征长度尺度。计算了刃型位错的应力和弹性变形的非奇异解。已经指出，弹性应变与最近在石墨烯中发现的刃位错的实验数据吻合得很好。
2015-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphene helicoid as novel nanospring
纳米技术的进步极大地加速了机械或电子设备的小型化。本文利用大尺度分子动力学模拟提出了一种新的纳米弹簧--基于石墨烯纳米带的螺旋面（GH）结构。结果表明，GH结构不仅具有极高的拉伸变形能力，而且具有传统弹簧所不具备的独特性能。其屈服应变随内半径的增大而增大，最大可达1000%以上，其弹性形变过程分为初始脱层、稳定脱层和弹性形变三个阶段。此外，GH的失效被发现是由石墨烯纳米颗粒的失效和内边缘原子吸收大部分的拉伸应变能。这一事实导致所有GH的恒定弹性限度力（对应于屈服点）。这项研究提供了一个全面的了解GH的拉伸行为，这开辟了途径，设计基于二维纳米材料的新型纳米弹簧。
2017-09-25 cond-mat.mtrl-sci
Mechanochemical reaction in graphane under uniaxial tension
采用量子力学化学反应坐标模拟方法研究了氢功能化石墨烯的力学性能。模拟揭示了原子匹配的特点，伴随着身体发生的变形-失效-破裂过程。与等碳核（5，5）纳米石墨烯和纳米石墨烷片相关的变形特性的比较研究显示出两个主体的高刚度，其分别由相关的六边形单元（即苯型和环己烷型）提供。这两个单元的特征在于在拉伸下沿机械化学内坐标的微观行为的各向异性，当后者是沿（zg）或正常（ach）的C-C键链取向。单元特征与它们相对于体C-C键链的不同堆积构型相结合形成了Zg和ach变形模式不同的结构敏感力学行为的基础。石墨烯的氢化极大地影响了主体的行为和数值特性，使得石墨烯失效的三角形样图案不太明显，并将其从zg模式反转为ach模式，以及总的来说提供了更小的石墨烷机械阻力。
2011-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Properties Of Fluctuating Elastic Membranes Under Uni-Axial Tension
原子级薄片，如石墨烯，广泛用于纳米技术。最近，它们也被用于包括kirigami和自折叠折纸在内的应用中，在这些应用中，了解它们如何响应外部负载变得非常重要。基于此，我们采用自洽屏蔽分析方法和分子动力学模拟研究了各向同性薄板对单轴拉伸的响应。以前，它表明，对于自由悬挂的片材热波动有效地重新归一化弹性常数，这成为规模依赖于超过一个特征的热长度尺度（几纳米的石墨烯在室温下），超过该弯曲刚度增加，而在平面弹性常数减少与普适幂律指数。对于单向拉伸的薄板$σ_{11}$，我们发现，在应力依赖的长度尺度之外，有效的面内弹性常数变得各向异性很强，并且沿单轴应力轴和正交于单轴应力轴的方向上的尺度不同，而弯曲刚度在应力依赖的长度尺度之外不会表现出任何反常行为.此外，对于中等张力，我们发现一个普遍的非线性应力应变关系。对于大的单轴张力，裸弹性材料的杨氏模量恢复。
2022-09-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stiffening graphene by controlled defect creation
石墨烯非凡的强度、刚度和轻质性使其在柔性电子产品和机械增强剂方面的应用产生了很大的期望。然而，晶格缺陷的存在下，不可避免地通过可扩展的路线获得的片材，可能会降低其机械性能。在这里，我们报告了一个系统的研究与控制缺陷密度的石墨烯的弹性模量和强度。与直觉相反，面内杨氏模量随着缺陷密度的增加而增加，几乎是空位含量约0.2%的初始值的两倍，使其成为有史以来报道的最硬的材料。对于较高的空位密度，弹性模量随缺陷夹杂而降低。杨氏模量的初始增加解释的弹性系数的依赖性与预测的2D膜的弯曲模式的动量。与此相反，根据标准断裂连续模型，断裂强度随缺陷密度而降低。这些在大气条件下测量的定量结构-性质关系具有基础和技术相关性，并为石墨烯力学代表颠覆性改进的应用提供指导。
2014-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Elastic properties and mechanical stability of bilayer graphene: Molecular dynamics simulations
本文通过分子动力学模拟研究了双层石墨烯在宽温度范围内的弹性质和力学稳定性，发现其面内压缩模量随温度升高而降低但高于单层石墨烯，并揭示了系统尺寸对力学不稳定性及旋节压力的幂律影响。
2023-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Nitrogenated Holey Graphene
氮化多孔石墨烯（NHG）是一种具有C2 N化学计量比的二维石墨烯衍生材料，其基底平面上均匀分布有空穴和氮原子。我们进行了第一性原理计算和分子动力学模拟，以研究在不同温度下的这种新型的二维材料的力学和热输运性能。基于密度泛函理论的第一性原理计算在0 K下产生400 +/- 5 GPa的弹性模量，比低温下分子动力学模拟预测的大10%。我们观察到随着温度的升高，弹性模量和拉伸强度总体呈下降趋势。在室温下，我们发现NHG可以呈现出335 +/-5GPa的显著弹性模量和60 GPa的拉伸强度。我们还通过非平衡分子动力学模拟研究了NHG的热导率。在300 K下，发现固有热导率为64.8 W/m-K，有效声子平均自由程为34.0 nm，两者均小于石墨烯的相应值，并随温度降低。我们基于模型的预测应该作为关于这种新材料物理特性的实验的指导。
2017-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Elastic Spin Hall effect in Mechanical Graphene
我们证明了在由质量和弹簧组成的二维蜂窝晶格的经典力学系统中，可以存在自旋轨道相互作用和弹性自旋霍尔效应。能带结构表明，在K点处存在由纵向和横向弹性常数不同引起的分裂，这种分裂可以看作是一种有效的Dresselhaus型自旋轨道耦合。有趣的是，当施加一个远离平衡的初始位移时，时间演化模拟表明，不同自旋极化的波在Gamma点和K点沿不同方向传播，这是自旋-霍尔效应的特征。文中还讨论了自旋霍尔效应的几种情况。
2016-09-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Liquid dewetting under a thin elastic film
我们研究了由薄弹性体层覆盖的液体膜的去湿。当弹性体中的张力是各向同性的时，圆孔以随着张力增加而减小的速率生长。孔的形态和边缘的稳定性可以通过改变边界条件和张力的覆盖膜。当用双轴张力制备封端膜时，形成具有沿高张力轴伸长的非圆形形状的孔。通过适当选择弹性边界条件，甚至可以将样品设计成出现方孔。
2017-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Contrasting Elastic Properties of Heavily B- and N-doped Graphene, with Random Distributions Including Aggregates
我们专注于B-和N-掺杂的石墨烯在高达20%的浓度范围内的弹性性能。利用密度泛函理论计算了一组具有代表性的具有无序杂质模式（包括聚集体）的超原胞的杨氏模量、体积模量、剪切模量和泊松比。与早期的工作相比，它表明，掺杂氮甚至加强了石墨烯层，而掺入硼诱导模拟STM图像中看到的大的结构和形态变化。杨氏模量和剪切模量分别随着氮或硼的掺杂强度而增加或减少，而体积模量和泊松比则表现出相反的趋势。这两种杂质的样品的弹性性质与电子结构密切相关，特别是对于重掺杂（>12%）。掺杂剂的局部排列和杂质的聚集或分离在确定所研究的系统的刚度中起着至关重要的作用。有趣的是，这些发现对含B和含N的样品是相反的。
2013-09-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Metamorphosis in Carbon Network: From Penta-Graphene to Biphenylene under Uniaxial Tension
碳的多晶性的力量通过碳基纳米材料的众多应用生动地体现出来。从环境问题到生物医学应用，它有可能解决当今许多可怕的问题。然而，在微观水平上理解碳同素异形体之间的转化机制对于其发展成为非常理想的材料至关重要。在这项工作中，我们报告这样的相变之间的两个碳同素异形体，从五石墨烯（半导体）到联苯（金属）单轴加载。使用密度泛函理论，我们证明了相变发生通过同步重组的碳原子的同时下降的能量。本工作的结果证实了penta-graphene是一种亚稳态结构。另一方面，对联苯的严格分析表明，它是一种能量、机械、动力学和热稳定的结构，无论是片状还是管状。它的电子结构表明它在这两种形式下都是金属。因此，这项工作揭示了二维碳系统中相变的可能性，从而设计出能够瞬间改变其性质的纳米材料。此外，在高温（5000 K）下加热亚联苯基片揭示了另一种相转变为更稳定的六方石墨烯样结构。这提出了热退火作为从另一个合成一个2-D碳同素异形体的可能方法。
2017-03-24 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Elastic scattering theory and transport in graphene
石墨烯的电子性质描述的狄拉克费米子。本文详细地介绍了轴对称势场中二维有质量狄拉克费米子的弹性散射理论。虽然无质量极限与原始石墨烯相关，但保持有限质量允许将两个亚晶格之间的对称性破缺的情况推广，并提供了与抛物线带中电子的散射理论的联系。我们证明，狄拉克理论需要短距离正则化的潜力，这是更奇异的1/r。然后将该方法应用于光滑短程势的散射。接下来，我们考虑库仑势散射，狄拉克理论是一致的点散射只有有效杂质强度低于1/2。从散射相移，我们得到了精确的库仑输运截面的杂质强度。结果是相关的运输在石墨烯中的杂质的存在下，不诱导散射之间的狄拉克点的布里渊区。
2007-12-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Elastic properties of graphene flakes: boundary effects and lattice vibrations
在密度泛函理论水平上，采用不同的标准泛函，计算了石墨烯片的自由能、表面自由能和弹性常数（Lam'e参数，即泊松比、杨氏模量）.我们观察到，在小薄片的Lam'e参数可以从氢化锯齿形边缘的散装值相差30%。这种变化是由于薄片的边缘压缩了内部。当包括振动零点运动时，我们检测到弯曲刚度降低约26%。该校正取决于薄片尺寸N，因为振动频率随着由于边缘引起的压缩的释放而增长的N而流动。我们计算Grueneisen参数，并发现与以前的作者很好的协议。
2010-03-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanomechanical properties of few-layer graphene membranes
我们已经测量了几层石墨烯和悬浮在圆孔上的石墨薄片的机械性能。用原子力显微镜测量了薄片的弹性常数的空间分布。通过对数据拟合连续模型来提取膜的弯曲刚度和张力。对于低至八个石墨烯层的薄片，两个参数都显示出强烈的厚度依赖性。我们预测这些纳米鼓的基本共振频率在GHz范围内的基础上测得的弯曲刚度和张力。
2008-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Design and Experimental Observation of Valley-Hall Edge States in Diatomic-Graphene-like Elastic Waveguides
我们报告的设计和实验验证的二维声子弹性波导表现出拓扑谷霍尔边缘状态。波导的晶格结构受到双原子石墨烯的启发，并且通过几何压痕将其压印在最初的平板中。压痕分布根据一个六角形的晶格结构，保证了狄拉克色散的存在，在布里渊区的边界。从该基本材料开始，能够支持边缘状态的畴壁可以通过对比具有通过使用局部谐振元件实现的空间反演对称性（SIS）破缺的波导来获得。我们的理论研究表明，这种材料映射到声学模拟的量子谷霍尔效应（QVHE），而数值和实验结果证实存在的保护边缘状态沿壁的拓扑结构不同的域。
2017-12-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Probing Intrinsic Elastic Properties of Multilayer Graphene -- a New Mechanical Constant
Korea Institute for Advanced Study（韩国高等研究院）；Department of Physics, Pukyong National University（釜山国立大学物理系）；Center for Theoretical Physics of Complex Systems, Institute for Basic Science（基础科学研究院复杂系统理论物理中心）
本文通过原位鼓胀试验和理论模型研究多层石墨烯的本征弹性特性，提出新的机械模量以更准确描述其机械行为。
2025-11-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Elastic response of the electron fluid in intrinsic graphene: The collisionless regime
电子流体在有限频率下的弹性响应由电子粘度$η(ω)$定义。我们确定$η(ω)$的石墨烯在电荷中性点在碰撞制度，包括由于电子-电子库仑相互作用的领先的修正。我们发现相互作用校正$η(ω)$是显着更大的，如果相比相应的校正的光学电导率。此外，我们发现可比的贡献，由于单粒子和多粒子效应的动态动量通量。我们还表明，$η(ω)$是直接相关的非局部能量流响应的石墨烯在狄拉克点。在无碰撞制度的粘度确定的帮助下，在Kubo形式主义的应变发生器。在这里，描述其两个子晶格的石墨烯的伪自旋在获得满足旋转对称系统的对称性的粘度张量方面起着重要作用。
2018-11-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Graphene Nanoribbon as an Elastic Damper
由不同的二维纳米材料组成的异质结构可以具有非常重要的物理和机械性能，在许多应用中有希望。有趣的是，在某些情况下，有可能产生由具有相同化学组成的弱拉伸和强拉伸域组成的异质结构，正如已经证明的一些聚合物链，DNA和金属间纳米线支持这种两相拉伸效应。这些材料在相对较强的张力下分裂成具有较小和较大拉伸应变的域。在该区域内，在恒定的拉伸力下，由于具有较大应变的畴的生长以具有较小应变的畴为代价，平均应变增加。在这里，两相拉伸现象描述的石墨烯纳米带的分子动力学模拟的帮助下。在我们的研究中揭示的石墨烯的这种前所未有的特征与成核和畴壁的运动的特性有关，畴壁将具有不同弹性应变的畴分开。结果表明，由于畴壁形核和运动过程中的能量耗散，加载-卸载曲线呈现出类似于位错的行为。在这里，我们最初提出了将石墨烯纳米带作为弹性阻尼器的想法，通过弹性延伸在循环加载-卸载期间有效地将机械应变能转换为热量，其中具有较大和较小应变的区域共存。此外，在两相拉伸的情况下，石墨烯纳米颗粒是异质结构，对于该异质结构，具有较大和较小应变的畴的分数以及因此其物理和机械性质可以通过施加弹性应变和/或热以可控的方式进行调节。
2018-02-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Graphene Cardboard: from Ripples to Tunable Metamaterial
最近，石墨烯被引入了可调波纹纹理，这是一种由石墨烯显着的弹性特性实现的纳米织物。然而，人们可以进一步设想将波纹折叠，从而构建复合纳米材料，石墨烯纸板。在这里，这种结构的基本力学性能进行了研究计算。事实证明，石墨烯纸板是高度可调的材料，因为其弹性品质因数变化数量级，泊松比可从10到-0.5调节。这些趋势为指导波纹范德华固体超材料的设计和使用奠定了基础。
2014-03-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electrical, elastic properties and defect structures of isotactic polypropylene composites doped with nanographite and graphene nanoparticles
导电聚合物在传感器、致动器、电子和光学器件、太阳能电池等方面有着广泛的技术应用。为了改善其操作性能、机械、热、电和光学性能，此类聚合物被掺杂碳同素异形体纳米填料。新型纳米复合聚合物的功能可以由纳米颗粒和聚合物的尺寸特性，不同的物理效应如电荷转移等来规定。我们表征和分析了新型聚合物纳米复合材料，高结晶度的等规聚丙烯（iPP），基于动态力学分析（DMA），介电谱，小角中子散射（SANS）和理论模型。碳纳米粒子在聚丙烯本体中以分形的形式聚集，改变了聚丙烯的力学、塑性、弹性和电性能。我们研究修改纳米填料的形态与Cosserat弹性的概念，其中包括描述的线性拓扑缺陷引起的纳米石墨和GNP聚集的行为。我们提供我们的实验数据与Cosserat弹性模型框架中的晶格的数值模拟，以估计整个复合iPP的一些力学特性。
2022-05-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A Review on Flexural Mode of Graphene: Lattice Dynamics, Thermal Conduction, Thermal Expansion, Elasticity, and Nanomechanical Resonance
单层石墨烯是如此柔性，以至于其弯曲模式（也称为ZA模式、弯曲模式或平面外横向声学模式）对于其热和机械性质是重要的。因此，本文重点探讨石墨烯的弯曲模式与热性能和力学性能之间的关系。我们首先调查的晶格动力学性质的弯曲模式，刚性平移和旋转不变性起着至关重要的作用。在此之后，我们概述了弯曲模式在石墨烯的四种不同物理性质或现象中的贡献-其热导率，热膨胀，杨氏模量和纳米机械共振。我们解释了石墨烯优异的热导率主要是由于其在室温下的三种声学声子模式，包括弯曲模式。它的热膨胀系数在很宽的温度范围内是负的，这是由弯曲模式的特定振动形态造成的。然后，我们描述了如何可以提取石墨烯的杨氏模量从其热波动，这是占主导地位的弯曲模式。最后，我们讨论了弯曲模式对石墨烯纳米机械谐振器的影响，同时也讨论了如何提高谐振器的基本特性，包括质量灵敏度和品质因数。
2015-01-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mechanically-tunable bandgap closing in 2D graphene phononic crystals
我们提出了一种可调声子晶体，它经历了从机械绝缘到机械透射（金属）的相变。具体而言，在我们的模拟的声子晶格双轴张力（$σ_{xx} =σ_{yy}$ = 0.01 N $/$ m），我们发现一个带隙的面外声子的范围为48.8 - 56.4 MHz，我们可以关闭增加张力单轴度（$σ_{xx} / σ_{yy}$）到1.7。为了操纵张力分布，我们设计了一个有限尺寸的现实设备，其中$σ_{xx} / σ_{yy}$通过向由悬浮石墨烯制成的声子晶体施加栅极电压来调谐。我们表明，相变可以通过声传输测量探测，声子带隙持续存在，即使在夹杂物表面污染物和随机张力变化存在于现实的设备。所提出的系统作为一个晶体管的声子与开/关比为$10^5$（100 dB抑制），因此是一个有价值的扩展声子逻辑应用。此外，这种对金属-绝缘体转变（mMIT）的机械模拟允许机械实体（例如机械量子位）之间的可调谐耦合。
2023-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Period fissioning and other instabilities of stressed elastic membranes
我们研究了当沿拉伸方向的平移对称性被破坏时，同时施加拉伸力和压缩力的弹性膜的形状。我们预测了大量的新的形态相在各种制度的2维参数空间$(ε,ν)$，定义了相关的机械和几何条件。这些参数分别是压缩与拉伸之间的比率和沿拉伸方向的波长对比度。特别是，我们的理论相关联的图案周期性的重复增加，最近观察到的褶皱膜漂浮在液体上，并受到毛细作用力，在政权（$ε\ll 1,ν\gg 1$）的张力是占主导地位的波长对比度是大的形态。
2009-01-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft math-ph
Fully Atomistic Molecular Dynamics Simulations of Elastic Properties of Tetragraphene Monolayer
最近提出了一种称为tetrahexcarbon的准2D半导体碳同素异形体，也称为tetragraphene，具有结合正方形和六边形环的不寻常结构。基于第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，预测了四石墨烯的力学和电子性质。然而，对其在不同温度下的力学行为的全面研究仍然缺乏。在这项工作中，使用完全原子反应分子动力学（MD）模拟，我们调查的单层四石墨烯拉伸应变下的力学性能从线性政权到完整的结构故障（断裂）。考虑了不同的温度，并将结果与其他两种已知的平面碳同素异形体：石墨烯和五石墨烯进行了比较。一个有趣的结果是，通过温度或张力的施加，四石墨烯经历了从结晶到无定形结构的转变。在室温下，四元石墨烯的两个正交晶胞方向的临界应变分别为38%和30%，高于石墨烯和五元石墨烯的临界应变。在室温下，四石墨烯沿其方向的杨氏模量值比石墨烯的杨氏模量值小三至六倍，并且是五石墨烯的杨氏模量值的约57%。沿两个方向的四石墨烯的极限拉伸强度值，也被证明是小于石墨烯和五石墨烯。
2022-07-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Indentation of a Rigid Sphere into an Elastic Substrate with Surface Tension and Adhesion
柔顺材料如凝胶的表面张力提供了除了弹性之外的变形阻力，有时甚至超过弹性。本文研究了表面张力如何改变小硬球压入软弹性基底的接触力学。以前的研究已经检查了外部载荷为零的特殊情况，因此接触仅由粘附驱动。在这里，我们解决了更复杂的问题，除了附着力，变形是由压痕力驱动的。我们提出了一个基于小应变理论的精确解。压痕力（位移）和接触半径之间的关系被发现取决于一个单一的无量纲参数：$ω=σ(μR)^{-2/3}(9πW_{\textrm{ad}}/4)^{-1/3}$，其中$σ$和$μ$是表面张力和剪切模量的基板，$R$是球半径，和$W_{\textrm{ad}}$是界面的粘附功。我们的理论在小和大$ω$的极限下分别简化为Johnson-Kendall-Roberts理论和Young-Dupré方程，并与已有的实验数据进行了比较.结果表明，虽然表面张力对压痕力有显著影响，但在部分润湿类液体极限下的拉脱载荷仅比JKR极限降低1/3，拉脱行为完全由$ω$决定.
2015-01-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mechanical Properties of Graphene Papers
石墨烯基纸张由于其优异的性能而引起了人们的特别兴趣，其关键是它们具有类似于骨、牙齿和珍珠层等生物材料的逐层分级结构，结合了层内强sp2键和层间交联以实现有效的负载转移。在这里，我们首先通过第一性原理计算研究各种层间和层内交联的力学性能，然后对石墨烯基纸张的整体力学性能进行连续介质模型分析。我们发现存在一个特征长度尺度l_{0}，定义为\Sqrt{Dh_{0}/4G}，其中D是石墨烯片的刚度，h_{0}和G分别是层间交联的高度和剪切模量。当石墨烯片的尺寸超过3 l_{0}时，广泛用于纳米复合材料的拉伸-剪切（TS）链模型不能预测石墨烯基纸的总体机械性能。相反，我们在这里提出了一个可变形的拉伸-剪切（拉伸-剪切）模型，通过考虑石墨烯片的弹性形变，以及层间和层内交联。然后将该模型应用于石墨烯基纸材料在拉伸载荷下的力学预测。根据所得结果，为设计具有高刚度、高强度和高韧性的石墨烯纸提供了优化设计策略。
2011-05-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Probing the Shape of a Graphene Nanobubble
实验观察到气体分子以气泡的形式被困在石墨烯和各种衬底之间。这些气泡的研究是有用的，在确定石墨烯的弹性和机械性能，石墨烯和衬底之间的粘附能，并通过应变工程操纵的电子特性。在我们的数值模拟中，我们使用一个简单的描述的弹性势和粘附能表明，对于小气泡（$\sim 10$ nm）的范德华压力是在1 GPa的顺序。这些气泡表现出普遍的形状行为，无论其大小，在最近的实验中观察到。我们的结果的形状和体积的被困气体可以确定通过振动态密度（VDOS）使用实验技术，如非弹性隧道和非弹性中子散射。捕获纳米气泡的石墨烯层中的弹性能量分布除了其边缘之外是均匀的，但是应变取决于气泡尺寸，因此气泡尺寸的变化允许控制电子和光学性质。
2017-02-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Weak localisation in graphene flakes
我们表明，石墨烯中的量子干涉的表现形式是非常不同的，从传统的二维系统。由于载流子的手征性质，它不仅对非弹性、相破裂散射敏感，而且对许多弹性散射过程敏感。我们研究了在不同的样品和在不同的载流子密度，包括狄拉克区域的弱本地化，并找到确定它的特征率，我们展示了石墨烯片的形状和质量如何影响的弹性和非弹性率的值，并讨论其物理起源。
2008-01-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Stress-transfer from polymer substrates to monolayer and few-layer graphenes
在本研究中的应力传递机制在石墨烯聚合物系统在拉伸下的实验研究使用激光拉曼显微镜技术。我们详细讨论了石墨烯边缘几何形状，横向尺寸和厚度的影响，需要考虑使用石墨烯作为保护层时。所检查的系统包括简单地沉积在PMMA基底上的具有大长度（超过~50微米）和一到三层厚度的石墨烯薄片，所述PMMA基底然后被加载至张力高达约100 μ m。1.60%应变。发现应力传递曲线是线性的，而结果表明，为了在高于1%的应变水平下提供有效的增强，需要超过20微米的大的横向尺寸。此外，已发现应力积累对加载薄片的边缘形状和几何形状都非常敏感。最后，发现转移长度随着石墨烯层数的增加而增加。本研究的结果提供了重要的洞察力的问题上的应力从聚合物到纳米夹杂物的边缘几何形状，横向尺寸和厚度的函数在一些应用程序。
2019-12-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermo-elastic properties of hydrated epoxy-graphene nanocomposites from ensemble-based molecular dynamics simulations
Univ. Rennes, CNRS, IPR (Institut de Physique de Rennes) - UMR 6251（雷恩大学）；Centre for Computational Science - University College London（伦敦大学学院计算科学中心）；Hexcel Composites（海克斯尔复合材料公司）
研究通过大系综分子动力学模拟，探究水合对环氧-石墨烯纳米复合材料玻璃化转变和弹性力学性能的影响，发现水含量3%wt是阈值，低于此值力学性能不受影响，超过则恶化，强调系综大小对预测可靠性的关键作用，为材料设计提供指导。
2026-07-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mesoscopic conductance fluctuations in graphene
我们研究了微米级石墨烯器件的电导随费米能级和磁场的变化规律。结合弱局域化的分析，这是由相同的散射机制的波动进行了研究。结果表明，电导波动的方差不仅取决于非弹性散射，控制退相，但也对弹性散射。特别是，相反，其效果弱本地化，强烈的谷间散射抑制石墨烯电导波动。然而，相关能与弹性散射的细节无关，并且可以用于确定石墨烯结构的电子温度。
2009-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
