A Generalized Read-Shockley Model and Large Scale Simulations for the Energy and Structure of Graphene Grain Boundaries
晶界（GB）能量是理解石墨烯几个关键性质的基本重要量。在这里，我们提出了一个全面的理论和数值研究的整个空间的对称和不对称的石墨烯GB。我们已经模拟了超过79，000个石墨烯GB，以探索石墨烯中GB的配置空间。我们使用一个推广的Read-Shockley理论和Frank-Bilby关系开发的GB能量作为一个函数的取向差角和线角的解析表达式，并阐明了低能量GB配置的显着结构特征。
2016-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Probing the Electrical Properties of Overlapped Graphene Grain Boundaries by Raman spectroscopy
晶界和褶皱对多晶石墨烯的电性能的影响是显著的。在这里，我们研究了多晶石墨烯颗粒之间的拼接，特别是，在边界处的层重叠，通过化学气相沉积（CVD）生长，随后通过氧化的Cu衬底掺杂。我们通过拉曼光谱分析了60和220 nm宽之间的重叠区域，发现这些重叠边界中的一些包含AB堆叠双层。重叠晶界的拉曼光谱明显不同于双层石墨烯，并表现出G带峰的分裂。分裂的程度、峰宽以及峰强度取决于重叠的宽度。我们将这些特征归因于通过氧化的Cu衬底跨重叠区域的载流子（空穴）的不均匀掺杂。其结果是，费米能级在重叠的晶界位于0.3和0.4 eV以下的电荷中性点。我们的结果表明重叠晶界的电导率增强，与之前观察到的测量结果类似（1）。电荷分布对晶界重叠宽度的依赖性可能对具有增强导电性的大面积石墨烯的生长具有强烈的影响。
2014-06-06 cond-mat.mtrl-sci
What Is Armchair-Zigzag Grain Boundary Structure in Graphene?
基于差分进化算法，提出了一种新的界面结构全局优化方法。在这里，我们应用这种方法来搜索扶手椅和锯齿形取向的石墨烯之间的晶界的基态原子结构。我们发现了两个新的晶界结构，形成能比以前广泛使用的结构模型低得多，约为1 eV/nm。这些新预测的结构表现出更好的机械性能下的外部单轴应变，和可区分的扫描隧道显微镜功能，与以前的结构模型相比。我们的研究结果提供了重要的新信息，为确定晶界结构和今后的电子性质的缺陷石墨烯。
2013-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Large-Scale Experimental and Theoretical Study of Graphene Grain Boundary Structures
我们使用$>$ 1000实验HRTEM图像，使用半自动结构处理程序，表征了176种不同单层石墨烯晶界的结构。我们介绍了一种新的算法来生成一类六边形二维材料的晶界结构，并使用该算法和分子动力学模拟的$>$ 79000石墨烯晶界覆盖4122个独特的取向分布在整个参数空间的结构。从所有的实验和模拟边界的位错含量和结构特性，并探讨各种趋势。我们发现很好的模拟和实验观察到的晶界之间的协议。我们的分析表明，在原子科学中，相对于少量的观测，统计上显着数量的测量的力量。所有的实验和模拟边界结构都可以在线获得。
2015-08-03 cond-mat.mtrl-sci
Grain Boundary Loops in Graphene
拓扑缺陷可以以意想不到的方式影响石墨烯的物理性质。利用它们的影响可以导致对材料强度和电性能的增强控制。在这里，我们提出了一类新的拓扑缺陷的石墨烯组成的一个旋转序列的位错，关闭自己，形成晶界环，要么保存在六方晶格中的原子数量或容纳空位/间隙重建，同时没有留下不满意的债券。在扫描隧道显微镜（STM）研究SiC（0001）上生长的外延石墨烯时，观察到一个晶界环作为“花”图案。我们发现，花缺陷具有最低的能量每位错核心的任何已知的拓扑缺陷在石墨烯，通过移动位错的聚结提供了一个自然的解释其增长。
2011-03-04 cond-mat.mtrl-sci
Structure of graphene oxide: thermodynamics versus kinetics
氧化石墨烯（GO）是制备石墨烯的重要中间体，也是一种用途广泛的材料。然而，尽管它的重要性，GO的详细结构仍然不清楚。例如，先前基于能量学的理论研究已经表明羟基链是GO的重要结构基序，然而，发现这与核磁共振（NMR）实验相反。在这项研究中，我们检查热力学和动力学方面以前错过了。第一性原理热力学给出了类似于基于能量学的基于自由能的稳定性排序，并且羟基链因此在热力学上仍然是有利的。同时，通过对计算的振动频率进行检验，我们注意到羟基链结构也与红外实验不一致。因此，在GO合成过程中的动力学预计将在GO结构中发挥重要作用。过渡态计算预测局部极小值之间的大的能量势垒，这表明实验获得的GO具有动力学约束结构。
2011-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Control and Characterization of Individual Grains and Grain Boundaries in Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition
对石墨烯的强烈兴趣已经推动了高质量石墨烯和石墨烯器件的可规模化生产。由于迄今为止合成的大规模石墨烯膜通常是多晶的，因此表征和控制通常被认为会降低石墨烯质量的晶界是重要的。在这里，我们研究了单晶石墨烯颗粒的环境CVD多晶铜合成，并显示如何合并晶粒之间的个别边界影响石墨烯的电子特性。石墨烯晶粒与Cu基体没有明确的外延关系，可以穿过Cu晶界。这些晶粒的边缘被发现主要是平行于锯齿形方向。我们发现，晶界给出了一个显着的拉曼“D”峰，阻碍电输运，并诱导突出的弱本地化指示的谷间散射在石墨烯。最后，我们展示了一种使用预图案化的生长种子来控制石墨烯成核的方法，开辟了一条无晶界的单晶石墨烯器件的可扩展制造路线。
2011-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Microscopic kinetics pathway of salt crystallization in graphene nanocapillaries
结晶的基本理解，在微观动力学和热力学细节方面，仍然是物理科学的一个关键挑战。在这里，通过使用原位石墨烯液体细胞透射电子显微镜，我们揭示了NaCl结晶的原子机制，从局限于石墨烯细胞内的解决方案。我们发现，岩盐NaCl形成一个特殊的六角形形态。我们还看到了一个短暂的类石墨相的出现，这可能是一个两步途径中的中间体。借助密度泛函理论的计算，我们提出，这些观察结果之间的微妙平衡的限制下的基质-溶质相互作用和热力学。我们的研究结果突出了限制结晶的动力学和热力学的影响，提供了新的见解异质结晶理论和材料设计的潜在途径。
2021-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and kinetics of Li intercalation in irradiated graphene scaffolds
在本研究中，我们研究了辐照-缺陷杂化石墨烯支架作为一种潜在的锂离子电池负极构建材料。指定Wigner V22缺陷作为代表，我们说明了Li原子与石墨烯支架中的辐照缺陷的相互作用。利用密度泛函理论计算研究了Li在Wigner V22缺陷附近的吸附能和扩散动力学。在缺陷处的平衡Li吸附位点被识别，并且示出在能量上优选于原始（双层）石墨烯上的吸附位点。同时确定并计算了Li在缺陷处迁移的最小能量路径和相应的能垒。我们发现，虽然缺陷显示出对石墨烯表面上的Li运动表现出一定的捕获效应，但由于与缺陷相关的层间距减小和特征对称性，它似乎有助于层间Li扩散并增强其附近的电荷容量。我们的研究结果为辐照石墨烯支架在锂离子电池中的应用提供了重要的评估。
2015-03-09 cond-mat.mtrl-sci
Suppression of Grain Boundaries in Graphene Growth on Superstructured Mn-Cu(111) Surface
作为不期望的缺陷，晶界（GB）在使用现有的在金属衬底上的生长方法的外延石墨烯中广泛存在。采用密度泛函理论计算，我们首先确定了在Cu（111）表面上成核的碳岛的取向错误导致形成GB的岛屿合并。然后，我们提出了一个两步动力学途径，以有效地抑制GB的形成。在第一步中，将大的芳烃分子沉积到$\sqrt{3}\times\sqrt{3}$超结构化的Cu-Mn合金表面上，以接种单一取向的初始碳簇;在第二步中，通过甲烷的正常化学气相沉积来扩大接种的岛，以形成完整的石墨烯片。本方法有望克服大规模单晶石墨烯制造中的一个长期障碍。
2011-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and kinetics of vacancies in monolayer graphene boron nitride heterostructures
石墨烯和氮化硼（GPBN）异质结构提供了一种可行的方法来实现可调的带隙，在石墨烯基纳米电子和光电子器件中有着新的机会。在本研究中，我们研究了单层GPBN异质结构中空位与石墨烯/h-BN界面之间的相互作用。利用第一性原理计算研究了单层GPBN异质结构中单空位和双空位的能量学和动力学。界面被证明是空位偏析的优先位置。同时，空位的动力学被发现在界面处被显著地修改，证明了最小能量路径（MEP）和相关的迁移势垒计算。讨论了界面键合构型、能态和极化对空位形成和扩散的影响。此外，我们还证明了识别不同空位的扩散前因子的差异对于准确确定空位扩散系数是重要的。我们的研究结果为GPBN异质结构中空位的建模提供了必要的数据，并为基于GPBN的器件设计中的缺陷，界面和量子域的精确工程提供了重要的见解。
2015-03-09 cond-mat.mtrl-sci
Modulation of the thermodynamic, kinetic and magnetic properties of the hydrogen monomer on graphene by charge doping
采用从头算方法研究了氢单体在掺杂石墨烯层上的热力学、动力学和磁学性质。电子掺杂提高了扩散势垒，空穴掺杂降低了扩散势垒，但两种掺杂都提高了脱附势垒。通过研究掺杂对石墨烯的键强度、氢单体与石墨烯之间的电子转移和库仑相互作用的影响，揭示了掺杂的机理。模拟了退火过程（退火时间$t_0 =$ 300 s）和恒速加热过程（加热速率$α=$ 1.0 K/s）期间掺杂石墨烯层上的H和D单体的动力学性质。电子和空穴掺杂被发现一般增加氢单体的脱附温度。发现电子掺杂防止氢单体的扩散，而空穴掺杂增强它们的扩散。当掺杂空穴密度达到$5.0\times10^{13}$ cm $^{-2}$时，可以实现氢单体在石墨烯上的宏观扩散。发现电子和空穴掺杂都降低了磁矩和交换劈裂，这可以用一个简单的交换模型来解释。本报告中的研究可以进一步增强对氢与石墨烯之间相互作用的理解，并有望有助于氢化石墨烯基器件的设计。
2010-11-16 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio simulations of the kinetic properties of the hydrogen monomer on graphene
氢（同位素）原子吸附在石墨烯上的动力学性质的理解在许多领域都是重要的。采用密度泛函理论、密度泛函微扰理论和简谐过渡态理论相结合的方法，对氢同位素（H、D和T）单体的动力学性质进行了模拟.讨论了氢化石墨烯的磁性和芳香$π$键在氢单体脱附和扩散过程中的动力学变化。的振动零点能校正的活化能被认为是显着的，范围从0.072至0.205 eV。在较宽的温度范围内，将量子力学修正的简谐过渡态理论与经典极限简谐过渡态理论的结果进行了比较.氢化石墨烯的声子谱被用来解释氢单体的前因子、活化能和跳跃频率中的（反向）同位素效应。在退火10分钟和以恒定速率（1.0 K/s）加热的条件下模拟氢同位素单体的动力学性质。观察到同位素效应;即，较低质量的氢单体被解吸并且更容易扩散（具有较低的活化能）。本文给出的结果与其他报道的实验观察结果非常相似。对氢单体的动力学性质和许多其他隐含机制的研究提供了对氢和石墨烯之间相互作用的更好理解。
2010-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Magnesium-graphene interphase boundaries created by high-pressure torsion enhance hydrogen storage kinetics:Mechanisms and significance of activation energy and frequency factor
WPI, International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (WPI-I2CNER), Kyushu University（九州大学碳中和能源研究国际研究所（WPI-I2CNER））；Department of Automotive Science, Kyushu University（九州大学汽车科学系）；Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)（坎皮纳斯州立大学机械工程学院）；Université de Lorraine, Laboratoire d’Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3 UMR 7239)（洛林大学微观结构与材料力学实验室（LEM3））；Université de Lorraine, Laboratory of Excellence on Design of Alloy Metals for low-mass Structures (DAMAS)（洛林大学低质量结构合金设计卓越实验室（DAMAS））
通过高压扭转制备镁-石墨烯界面边界，提升镁氢化物反应动力学，揭示界面工程对氢存储材料性能的影响。
2026-05-13 cond-mat.mtrl-sci
Anomalous Strength Characteristics of Tilt Grain Boundaries in Graphene
利用分子动力学模拟和第一性原理计算，我们研究了在金属衬底上CVD生长石墨烯过程中出现的石墨烯片倾斜晶界的结构和机械强度。令人惊讶的是，我们发现，对于在Z字形和扶手椅取向附近的倾斜边界，具有5-7个缺陷对的较高密度的大角度边界比每单位长度由较少缺陷组成的小角度边界更强。有趣的是，我们的结果中的趋势不能用连续格里菲斯型断裂力学标准来解释，该标准预测相反的趋势，因为它没有考虑到导致失效机制的关键键。我们已经确定了高应变的债券在7元环，导致失败的片材，我们已经发现，大角度的边界能够更好地适应应变7环。我们的研究结果为设计生长方法提供了指导，以获得强度接近原始石墨烯的晶界结构。
2010-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Heat transport across graphene/hexagonal-BN tilted grain boundaries from phase-field crystal model and molecular dynamics simulations
本文采用结合原子论的方法研究了单层石墨烯和六方氮化硼（h-BN）片之间晶界的界面热导。首先，使用最近开发的相场晶体（PFC）模型[P. Hirvonen \textit{et al.}，Phys. Rev. B \textbf{100}，165412（2019）]生成含有具有不同倾斜角的石墨烯/h-BN GB的现实样品，该模型捕获分子动力学（MD）模拟无法获得的缓慢扩散弛豫。然后，大规模的MD模拟，使用高效的GPUMD包进行评估跨GB的热传输和整流性能。我们发现，石墨烯和h-BN片之间的晶格失配起着不太重要的作用，在确定的界面热导相比，倾斜角。此外，我们没有发现显着的热整流效应，这些GB。
2021-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Dirac Fermion kinetics in three-dimensionally curved graphene
具有从25 nm到1000 nm的宽范围曲率半径的三维弯曲石墨烯表明，纳米级曲率是通过在3D弯曲表面上操纵2D电子动力学来调节石墨烯的输运性质的新的自由度。
2020-10-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Kinetics of atomic ordering in metal-doped graphene
考虑了基于石墨烯型晶格的可能的稳定有序的替代结构。建立了一个金属掺杂石墨烯（1/8，1/4，1/2）和非化学计量组成的原子有序化动力学模型。由于基于石墨烯的晶格的子晶格内和子晶格间的“交换”（“混合”）能量是竞争性不同的，因此对于由两个或三个LRO参数描述的结构，长程序（LRO）参数的动力学曲线可能是非单调的。
2014-06-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Characterizing thermal conduction in polycrystalline graphene
在这项工作中，通过理论和模拟相结合的方法探索和讨论了热传导。采用基于六边形贴片模型的分子动力学模拟计算了多晶石墨烯的热导率k，并与实验中的微观结构表征结果进行了比较。晶粒尺寸，取向和温度的影响进行了确定与讨论的微观声子散射机制。有效热导率随晶粒尺寸的增大而增大，随晶界错配角和位错密度的增大而减小。在多晶体中，k的1/T温度依赖性显著减弱。晶界在改性石墨烯的热输运性质中的作用的特征在于其作为单独相的有效宽度和热导率，其随后被包括在预测性有效介质模型中，该模型显示对于大于几微米的晶粒热导率的劣化降低。
2013-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Effect of grain boundary on the buckling of graphene nanoribbons
采用原子模拟的方法研究了含有晶界的石墨烯纳米带的屈曲问题，其中引入了自由和支撑边界条件。我们发现，当石墨烯包含一个小角度的晶界时，屈曲应变较大时，与自由（支持）边界条件的条带受到平行（垂直）的晶界压缩拉伸。弯曲的石墨烯纳米带的变形的形状取决于边界条件和晶界的存在以及施加的面内压缩张力的方向。与完美石墨烯或小角度晶界相比，大角度晶界导致较小的屈曲应变。
2012-03-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermal transport in nanocrystalline graphene investigated by approach-to-equilibrium molecular dynamics simulations
采用接近平衡的分子动力学模拟研究了纳米石墨烯片的热输运。纳米结构的石墨烯已经使用用于从具有随机晶体取向的初始种子进行晶粒生长的迭代过程来创建。所得到的细胞的特征在于基于回转半径的晶粒尺寸分布，由每个晶粒中的原子数和由晶界中的原子数。引入具有1 nm的回转半径的纳米颗粒导致热导率显著降低至单晶石墨烯中的值的3%。振动态密度的分析已经揭示了当引入纳米颗粒时振动强度的普遍降低和峰的加宽，这可以归因于边界层中的声子散射。的热导率已被评估为晶粒尺寸的函数，随着尺寸增加到14 nm，它已被证明遵循一个反有理函数。晶粒尺寸相关的热导率可以很好地近似为一个函数，其中传输由一系列导电元件和电阻（在边界处）的连接来描述。
2015-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Kinetics and thermodynamics of carbon segregation and graphene growth on Ru(0001)
我们测量Ru（0001）表面上的碳吸附原子的浓度，这些碳吸附原子与晶体体中的C原子处于平衡状态，通过在成像时监测表面的电子反射率来测量。在从高温冷却期间，C原子分离到Ru表面，导致石墨烯岛成核。使用低能电子显微镜（LEEM），我们测量单个石墨烯岛的生长速率，同时测量表面上C吸附原子的局部浓度。我们发现，石墨烯的生长是由碳吸附原子的过饱和，二维气体，而不是通过体碳和石墨烯之间的直接交换。在长时间内，C从本体扩散到表面的速率控制石墨烯生长速率。C在三种状态-溶解在Ru中，作为吸附原子，并在石墨烯-之间的竞争进行了量化和讨论。将简单的Langmuir-McLean模型应用于与温度相关的平衡浓度，得到的吸附原子分凝焓与第一性原理计算值严重不符。这种差异表明，模型中关于C不相互作用的假设是无效的。
2009-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Impact of grain boundary characteristics on thermal transport in polycrystalline graphene: Analytical results
采用形变势方法研究了多晶石墨烯的晶界结构、尺寸和形状对热导率的影响。在玻恩近似下，得到了声子平均自由程的精确解析表达式。我们发现在长波长极限下有两种行为：对于任何形状的开放GB，MFP随$k^{-1}$变化，而对于闭合配置（环路），MFP则随$k^{-3}$变化。在短波长极限MFP往往是一个恒定的值为任何配置。观察到的振荡行为，这表明它们作为衍射光栅的声子。这种性质也是固有的GB与不规则性所造成的部分向错偶极子。热导率的计算框架中的Callaway的方法与所有主要来源的声子散射考虑在内。在很宽的温度范围内，热导率随晶粒尺寸的减小而减小。最有趣的是，我们发现了一个显着的降低，在多晶石墨烯的热导率包含GB的变化，在他们的取向差角。
2019-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Metallic nanolines ruled by grain boundaries in graphene: an ab initio study
我们已经进行了从头算研究的能量稳定性，和电子性质的过渡金属（TM = Mn，Fe，Co和Ru）吸附在石墨烯上的存在下的晶界（GB）。我们的研究结果揭示了一个充满活力的偏好TM躺在沿GB网站（TM/GB）。这种能量偏好已经通过增加TM吸附原子的浓度而得到加强;产生由GB统治的石墨烯上的TM纳米线。Fe吸附原子的进一步扩散势垒计算支持这些TM纳米线的形成。我们发现，平行于GBs的能量势垒略低于无缺陷石墨烯的能量势垒，而垂直于GBs的Fe吸附原子面临更高的能量势垒。Fe和Co（Mn）纳米线是铁磁性的（亚铁磁性的），相比之下，Ru纳米线的磁性状态对Ru/GB吸附几何结构敏感。这些TM纳米线的电子性质，其特征在于通过广泛的电子能带结构计算。金属纳米线的形成是由TM和石墨烯（$π$）轨道之间沿GB位点的强杂化介导的。由于TM纳米线的净磁化，我们的能带结构结果表明，一些TM/GB系统的各向异性（自旋极化）的电子电流。
2015-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Orientation Sensitive Nonlinear Growth of Graphene: A Geometry-determined Epitaxial Growth Mechanism
虽然相应的碳-金属相互作用可能非常不同，但对于不同的金属基底，已经观察到石墨烯的类似非线性生长行为。为了理解这一有趣的实验观察，进行了多尺度$\lq\lq$站在前面的”动力学蒙特卡罗研究。一个非常强大的几何效应被确定，这仅仅决定了生长动力学，并使碳-金属相互作用的细节不相关的。基于这种几何决定的机制，石墨烯的外延生长行为在许多情况下可以很容易地预测。以Ir（111）表面为例，研究了石墨烯的取向敏感生长动力学。我们的研究结果表明，晶格失配模式在原子水平上起着重要的作用，宏观外延生长。
2013-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Toughness and Strength of Nanocrystalline Graphene
原始的单晶石墨烯被认为是已知的最强的材料，具有显着的机械和电气性能。然而，用可扩展的制造技术制成的石墨烯是多晶的，并且包含固有的纳米级线和点缺陷-晶界和晶界三重结-这导致韧性和强度的显著统计波动。这些波动对于缺陷密度高的纳米晶石墨烯变得特别明显。在这里，我们使用大规模的模拟和连续建模表明，韧性和强度的统计变化可以理解与“最弱环节”的统计。我们开发了第一个统计理论的韧性多晶石墨烯，并阐明其强度和韧性的晶粒尺寸依赖性的纳米尺度的起源。我们的研究结果应该导致更可靠的石墨烯器件设计，并提供一个框架来解释广泛的2D材料的实验结果。
2016-01-29 cond-mat.mtrl-sci
Grain-resolved kinetics and rotation during grain growth of nanocrystalline Aluminium by molecular dynamics
采用分子动力学模拟方法研究了纳米晶Al的晶粒生长过程。这项研究的新颖性是由于利用了一种算法来解决分子动力学数据集的每颗粒动力学和取向变化。为此，开发了一种从FCC材料的分子动力学数据集识别和重构微晶的高效算法。该方法能够计算晶粒的特定属性，即体积、质心、平均取向和取向扩展。此外，它提供了一个映射方法来跟踪晶粒在时间行数据集。在目前的贡献，我们描述和验证的算法，然后用于分析晶粒生长的多晶铝与弱织构。对于测试的条件，该算法能够找到所有的输入方向，并根据它们的晶体取向重建晶粒。借助所开发的算法，我们研究了晶粒生长动力学和晶粒旋转。模拟的结果表明，特别是在晶粒生长和晶粒边缘旋转的初始阶段，动力学略有减慢。
2016-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Cones, pringles, and grain boundary landscapes in graphene topology
多晶石墨烯由彼此以角度α倾斜并由晶界（GB）分隔的完美域组成。这些几乎一维的区域依次由基本的拓扑缺陷，5-五边形和7-七边形组成，通常配对成5-7个位错。在0<=α<=Pi/3的范围内计算的GB的能量G（α）显示出轻微的不对称行为，在中间达到约5 eV/nm，其中5和7在从几乎扶手椅到锯齿形界面的过渡中定性地重组。分析表明，2维性质允许离面弛豫，在3维材料中不可用，一方面定性地降低缺陷的能量，同时另一方面形成稳定的3D landsapes。有趣的是，虽然GB显示出小的离面高度，但5和7的随机分布产生了与缺陷浓度成反比的粗糙度，h ~ n^（-1/2）
2010-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Diffraction and near-zero transmission of flexural phonons at graphene grain boundaries
已知石墨烯晶界会影响声子输运和热导率，这表明它们可以用于设计石墨烯的声子性质。本文采用分子动力学研究了两个屈曲晶界对长波长弯曲声学声子的影响。由于其对热传输的重要性，选择了弯曲声学模式。据发现，通过边界的传输被强烈抑制的入射角接近35 $^\circ$。此外，晶界被发现作为衍射光栅的声子。
2015-02-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Revealing the grain structure of graphene grown by chemical vapor deposition
在存在无序的情况下发生的物理过程：点缺陷、晶界等可能对石墨烯的电子性质具有不利影响。在这里，我们提出了一种方法来揭示石墨烯的颗粒结构的缺陷的选择性氧化和随后的原子力显微镜分析。这种技术提供了一种快速简便的替代不同的电子显微镜和衍射方法，并可用于快速反馈化学气相沉积生长的石墨烯样品的质量。
2011-07-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tailoring energy landscape of graphene nanostructures on graphene and realizing atomically precise graphene origami using tilt grain boundaries
在二维范德华材料中，相邻层之间的相对扭转角不仅控制了它们的电子性质，而且决定了它们的堆叠能。这种效应使得更容易实现vdWs材料的能量有利的配置，例如双层石墨烯的Bernal堆叠结构。在这里，我们证明了我们可以可控地定制石墨烯纳米结构在石墨烯上的粘附能量景观，并通过使用一维倾斜晶界（GB）来稳定具有可调扭转角的系统。具有由倾斜GB分开的不同堆叠级的面积比被连续地调谐，这提供了新的自由度来定制系统的能量景观。由于倾斜GB分隔的不同堆叠顺序，我们可以沿着一维边界精确地重复折叠和展开石墨烯纳米结构，展示了实现原子级精确石墨烯折纸的能力。
2021-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tuning Structures and Electronic Spectra of Graphene Layers by Tilt Grain Boundaries
尽管人们已经对石墨表面和石墨烯的倾斜晶界的结构和性质进行了广泛的研究，但它们对石墨烯层的结构和电子光谱的影响还没有完全解决。本文利用扫描隧道显微镜和光谱学研究了一维倾斜晶界对石墨烯多层膜结构和电子光谱的影响。石墨烯多层中顶部石墨烯片的倾斜晶界导致连续层之间的扭曲，并在边界的一侧产生超结构（莫尔图案）。我们的研究结果表明，扭曲的Bernal石墨烯双层和石墨烯三层显着改变的电子光谱。我们还研究了在两个相邻的倾斜晶界之间产生的量子限制扭曲石墨烯双层，发现即使在一个方向上超结构的数量减少到两个时，这种系统的能带结构仍然有效。这意味着该系统的电子结构是由单个莫尔斑的物理驱动的。
2014-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Polycrystalline Graphene: Thermally Enhanced Kapitza Conductance
石墨烯因其优异的导热性能而受到广泛关注，但迄今为止，对多晶石墨烯的热特性的完整理解仍然是难以捉摸的。本文首次采用非平衡分子动力学模拟系统地研究了温度对不同晶粒尺寸和晶界类型的多晶石墨烯热导行为的影响。结果表明，无论晶粒尺寸和晶界类型如何，温度升高都会显著提高晶界热导率（Kapitza热导率），同时也会降低无缺陷晶粒区域的热导率。这种增强效应对于较小的晶粒尺寸和较高的温度变得更加重要，其对热传递的正常不利影响因此被理想地抵消，使得总热导率对于足够小的晶粒尺寸相对于温度增量相当稳健。在从300至500 K加热时，具有最大倾斜晶界的石墨烯的热导率对于50 nm的晶粒尺寸仅降低9%，而对于250 nm降低28%，并且进一步地，其甚至在30 nm以下增加。我们提出了其（晶粒，晶界和总）热导率与晶粒尺寸和温度的定量映射，为基于石墨烯的热工程提供了指导，并提出了新的基于缺陷的热架构。
2013-04-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Imaging Grains and Grain Boundaries in Single-Layer Graphene: An Atomic Patchwork Quilt
多晶材料的性质通常由其晶粒的尺寸和其晶界的原子结构决定。这些效应在2D材料中尤其明显，即使是线缺陷也会分裂和破坏晶体。这些问题在石墨烯中具有实际意义，石墨烯是一种碳原子的六边形二维晶体;现在可以通过化学气相沉积在高达米的尺度上生产单原子厚度的石墨烯片，使其多晶性几乎不可避免。理论上，石墨烯晶界被预测具有明显的电子、磁性、化学和机械性质，这些性质强烈依赖于它们的原子排列。然而，由于晶粒和晶界原子之间的五个数量级的尺寸差异，很少有实验充分探索石墨烯的晶粒结构。在这里，我们使用新旧透射电子显微镜技术的结合来桥接这些长度尺度。使用原子分辨率成像，我们确定的位置和身份的每个原子在晶界上，并发现不同的晶粒缝合在一起，主要是通过五边形-七边形对。然后，我们使用衍射过滤成像快速映射的位置，方向和形状的几百个晶粒和边界，其中只有少数已被报道。由此产生的图像揭示了一个意想不到的小而复杂的拼凑颗粒连接的倾斜边界。通过将晶粒成像与扫描探针测量相关联，我们表明这些晶界显著削弱了石墨烯膜的机械强度，但不会显著改变其电性能。这些技术为石墨烯和其他二维材料的结构，性能和晶粒和晶界控制的研究打开了新的窗口。
2010-09-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Buckled Graphene for Efficient Energy Harvest, Storage, and Conversion
屈曲是像石墨烯这样的原子厚度层状结构中最常见的现象之一。虽然屈曲现象通常会导致大多数纳米器件的灾难，但我们说明了屈曲石墨烯在能量收集，存储和转换方面的一个积极应用。更具体地说，我们进行分子动力学模拟，以表明屈曲的石墨烯可以用来收集浪费的机械能，并存储在内部打结势的形式的能量。通过应变工程，打结势可以转化为有用的动能（热）能，其高度集中在弯曲的石墨烯的自由边缘处。目前的研究表明，潜在的应用弯曲石墨烯转换分散浪费的机械能到集中的有用的动能（热）。
2016-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Cathodoluminescence Analysis of Defects and Grain Boundaries in Zn3P2 Thin Films Grown on Graphene by MOVPE and MBE
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Lund University（隆德大学）；Université Côte d’Azur, CNRS, CRHEA（蔚蓝海岸大学，法国国家科学研究中心，高能物理研究所）；Interdisciplinary Center for Electron Microscopy (CIME), EPFL（洛桑联邦理工学院跨学科电子显微镜中心）；Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）；Friedrich-Schiller-Universität Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）
通过关联电子显微镜和阴极发光，研究了MOVPE在石墨烯上准范德华外延生长的Zn3P2薄膜中反相边界密度与光发射调制的关系，发现晶界作为非辐射复合中心，并比较了MBE薄膜，表明MOVPE材料抑制了应变相关的亚带隙发射，实现了更大晶粒和更高质量。
2026-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Kinetic and Equilibrium Shapes of Cylindrical Grain Boundaries
本研究通过分子动力学模拟和基于位错的连续模型，揭示了Ni中圆柱形晶粒在驱动力下的形状演化与旋转机制，证明晶界迁移和晶粒旋转由位错流介导。
2024-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Quantum kinetic equation and universal conductance fluctuations in graphene
我们分析了通用电导波动（UCF）在石墨烯的框架中的金属制度的图形微扰理论。结果表明，强谷间散射电梯谷简并的电子态，而在弱谷间散射两个谷独立贡献，使UCF的方差将有望显示样品和几何形状相关的行为。
2008-01-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Oxidation-assisted graphene heteroepitaxy on copper foil
我们提出了一种创新的，易于实现的方法来合成大面积的电子晶体石墨烯片的铜箔上的化学气相沉积。该方法双重利用了气相中存在的残余氧。首先，通过轻微氧化铜表面，我们诱导晶界钉扎在铜，因此，冻结的热再结晶过程。随后铜在氢气下的还原突然解锁延迟的重构，有利于厘米尺寸的铜（111）晶粒通过异常晶粒生长机制的生长。其次，铜表面的氧化也大大降低了石墨烯的成核密度。该氧化/还原顺序导致与铜（111）外延配准的对齐的毫米尺寸的单层石墨烯域的合成。所生长的石墨烯薄片被证明是单晶的和高质量的。
2016-09-09 cond-mat.mtrl-sci
Rapid and catalyst-free CVD growth of graphene on hBN
最近，六方氮化硼（h-BN）已被证明是作为一个理想的衬底石墨烯大大提高材料的传输性能，由于其原子级平坦的表面，低层间电子耦合和几乎完美的网状匹配。化学气相沉积（CVD）目前被认为是在h-BN上直接生长石墨烯的最可扩展的方法。然而，对于无催化剂的方法，通常报道了对石墨烯晶粒的形状和结晶度的不良控制以及低生长速率。在这项工作中，我们研究了不同形状的晶粒的结晶度，并确定了一个真正的范德华外延石墨烯的h-BN通过采用无催化剂的CVD工艺的路径。我们证明了多晶性质的圆形垫和属性的不同取向的颗粒的空气中的h-BN薄片的污染的堵塞。我们发现，六重对称的单晶颗粒可以通过采用高氢分压生长过程中获得。值得注意的是，通过优化生长温度和压力获得高达100 nm/min的生长速率。通过采用简单的CVD方法以可观的生长速率在h-BN上合成单晶石墨烯的可能性是朝着增加这种有前途的范德华异质结构的可及性迈出的一步。
2016-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Mapping electronic states of dual-parallel and symmetric zigzag grain boundaries of graphene on highly oriented pyrolytic graphite
石墨烯表面的晶界（GBs）被广泛研究，因为具有特定缺陷配置的GBs导致形成新的弯曲结构，其可以被视为新的碳同素异形体。利用扫描隧道显微镜和光谱仪（STM/S）研究了高取向热解石墨（HOPG）表面石墨烯中两种周期性晶界的结构和电子光谱。我们的研究结果表明，由五边形-七边形（5-7）碳环的双平行周期性位错核心组成的GB在石墨烯表面的狄拉克点以上0.45 eV处产生增强的局域态，这归因于范霍夫奇点（VHS）。此外，局域态的能量位置在0.40和0.47 eV之间变化，取决于网站，并最终衰减到0.36 eV。两个平行的晶界引起的能量位置的变化，因为较高的电子密度在GB作为一个缺陷中心和较低的电子远离GB。另一个周期性的GB与对称的锯齿形结构特征诱导VHS在-0.038和0.12 eV附近的费米能级。此外，谷间散射观察到这两个GB。这意味着载流子浓度以及周期性GB周围的电导可以通过局域态密度显著增强。这一发现表明，具有适当嵌入的有序GB的石墨烯有希望用于改善基于石墨烯的电子器件的性能。
2017-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Charge and spin transport on graphene grain boundaries in a quantizing magnetic field
我们研究了量子化磁场作用下单层石墨烯中电荷和自旋沿晶界的输运。晶界中的输运态是由朗道零模与界面态的杂交产生的。在选定的能量制度量子霍尔边缘状态可以全部或部分地偏转到晶界状态。在非局域电导和散粒噪声中研究了边缘态偏转的程度。我们还考虑作为栅极可切换的自旋过滤器，一个功能，使横向限制在晶界的反向传播的传输通道的可能性。
2017-01-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Domain (Grain) Boundaries and Evidence of Twin Like Structures in CVD Grown Graphene
理解和设计化学气相沉积（CVD）单层石墨烯中的畴边界对于改善其性能至关重要。在这项研究中，结合透射电子显微镜（TEM）技术，包括选区电子衍射（SAED），高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），和暗场（DF）TEM被用来研究的边界取向角分布和性质的碳键在域边界。这份报告提供了一个重要的第一步，从根本上了解这些领域的边界。结果表明，对于本研究中生长的石墨烯，测量的46个取向差角均在11-30度之间（7度的一个除外）。HRTEM图像显示在几乎所有的边界区域中存在吸附物。当边界成像时，在边界处看到缺陷（悬挂键），这可能有助于吸附物在这些边界处结合。DFTEM图像还显示了“孪生”边界的存在。
2010-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Topological Defects in Graphene: Dislocations and Grain Boundaries
尽管有大量的实验观察，但石墨烯中的拓扑缺陷，位错和晶界仍然没有得到很好的理解。我们介绍了一种通用的方法，用于构建任意伯格斯矢量以及晶界，覆盖整个范围内的可能的取向差角的石墨烯位错。通过使用从头计算，我们调查这些拓扑缺陷的热力学和电子性质，发现积极有利的对称大角度晶界，强烈的倾向，在小角度制度的面外变形，和显着的影响，对电子结构。目前的研究结果表明，位错和晶界是石墨烯中重要的本征缺陷，可以用于工程石墨烯基纳米材料和功能器件。
2010-05-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Cutting and controlled modification of graphene with ion beams
使用原子计算机模拟，我们研究了如何离子辐照可以用来改变石墨烯单层的形态，通过引入特定类型的缺陷，并切割石墨烯片。基于我们的分析势分子动力学模拟的结果，一个动力学的Monte Carlo代码的开发用于模拟在宏观时间尺度下的辐照下的石墨烯单层的形态变化。研究了He、Ne、Ar、Kr、Xe和Ga等离子体在入射角0 \circ ~ 88 \circ范围内的碰撞效应。我们的研究结果提供了微观的洞察石墨烯离子辐照的响应，并可以直接用于优化石墨烯切割和图案与聚焦离子束。
2011-02-03 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Grain Boundaries on Thermal Transport in Graphene
我们使用非平衡格林函数研究了石墨烯中晶界、线缺陷和手性对热输运的影响。在室温下，弹道热导率约为4.2 GW/m^2/K，单个GB或LD的热导率为该值的50-80%。具有碳原子八边形缺陷的LD比具有五边形和七边形缺陷的GB具有更低的热传递。我们将我们的研究结果应用于研究多晶石墨烯的热导率以用于实际应用，并发现当晶粒尺寸小于几百纳米时，GB的类型和尺寸起着重要作用。
2012-12-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Comparison of h-BN and graphene layers as grain boundary materials for granular FePt-$\text{L}1_0$ thin films
本研究探索多层石墨烯作为FePt-L10薄膜晶界材料，发现其能形成纳米带包裹晶粒但未能有效促进柱状结构，需优化沉积工艺以实现HAMR介质潜力。
2024-04-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dominant Kinetic Pathways of Graphene Growth in Chemical Vapor Deposition: The Role of Hydrogen
目前生产石墨烯最流行的方法是化学气相沉积，令人惊讶的是，常规供应H $_2$气体，即使它本身是副产物。在这项研究中，通过多尺度模拟确定主要的生长途径，我们明确地揭示了氢在石墨烯生长中发挥的核心作用。氢可以在一定程度上饱和生长的石墨烯岛的边缘，这取决于H $_2$压力。尽管在实验中已经观察到氢对石墨烯的蚀刻，但氢饱和实际上通过降低含碳物质的脱离速率来稳定石墨烯边缘。这样一个新的图片很好地解释了一些令人困惑的实验观察，也有助于二维原子晶体范德华外延生长协议的优化。
2017-11-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Revealing curvature and stochastic effects on grain growth kinetics: A thermodynamic perspective from the extremal principle
在正常晶粒长大的理论发展中，“漂移”（曲率效应）和“扩散”（随机效应）的作用多年来一直是一个悬而未决的问题。通过将微观结构熵和晶粒拓扑相互作用的贡献与热力学极值原理（TEP）相耦合，扩展了现有的晶粒生长热力学框架。它不仅从热力学角度解释了曲率和随机效应，而且为晶粒生长提供了一个新的平均场模型。通过热力学修正，该模型能够高精度地再现已有的超大相场模拟结果。
2021-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Bimodal grain-size scaling of thermal transport in polycrystalline graphene from large-scale molecular dynamics simulations
石墨烯中的晶界在通过化学气相沉积制备的晶片级样品中是固有的。它们可以强烈地影响石墨烯的机械性能以及电子和热传输。在这项工作中，我们采用广泛的分子动力学模拟来研究大悬浮多晶石墨烯样品中的热输运。不同的控制晶粒尺寸的样品制备最近开发的有效的多尺度方法的基础上相场晶体模型。与以前的工作相比，我们的研究结果表明，缩放的热导率与晶粒尺寸意味着双峰行为与两个有效的Kapitza长度。的缩放是占主导地位的平面外（弯曲）声子的Kapitza长度是一个数量级大于面内声子。我们还表明，为了获得与最新实验的定量一致，需要对晶界的Kapitza电导和原始石墨烯的热导率进行量子校正，并且相应的Kapitza长度必须相应地重整化。
2017-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Kapitza thermal resistance across individual grain boundaries in graphene
我们使用广泛的经典分子动力学（MD）模拟研究了悬浮单层石墨烯中单个晶界的热输运。我们利用二维相场晶体方法构建了含有对称倾斜角晶界的双晶石墨烯样品，然后利用分子动力学方法对样品进行弛豫。相应的Kapitza电阻，然后使用非平衡MD模拟计算。我们发现，Kapitza电阻强烈地依赖于倾斜角，并显示出明确的相关性，在一个给定的晶界缺陷的平均密度，但并不强烈相关的晶界线张力。我们还表明，量子效应是显着的定量测定Kapitza电阻通过应用模式的模式的量子校正的经典MD数据。修正后的数据与量子力学的Landauer-Bütticker计算结果符合得很好。
2017-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Kinetic Monte Carlo simulations inspired by epitaxial graphene growth
石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成二维六方晶格的平面单层结构，具有独特的电子性质，在纳米电子领域有着广泛的应用前景。最近的低能电子显微镜（LEEM）实验表明，在Ru（0001）上外延生长的2D石墨烯岛的台阶边缘速度随着碳吸附原子过饱和度的五次方而变化。这表明石墨烯岛是通过添加五个原子的簇而不是通过单个吸附原子附着的通常机制生长的。我们已经进行了动力学蒙特卡罗（KMC）模拟，以进一步研究的一般情况下的外延生长的移动原子团簇的附件。我们没有试图直接复制Gr/Ru（0001）系统，而是考虑了一个涉及正方形晶格上原子的移动四聚体的模型。我们的研究结果表明，四聚体的能量障碍打破和必须碰撞，以成核一个固定的岛屿的四聚体的数量是重要的参数，用于确定是否，在Gr/Ru（0001）系统中，在岛成核的开始时的吸附原子密度是温度的递增函数。为了使我们的模型产生一个平衡的吸附原子密度，这是一个大的成核密度的一部分，需要一个相对较大的能量势垒吸附原子附着到岛屿。岛密度随着温度的升高而显著降低也需要用于四聚体附着到岛的大的能量势垒。我们发现，岛屿生长的速度与四次幂的吸附原子的过饱和度时，四聚体附件是岛屿生长的主导过程。
2012-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Phononic thermal transport along graphene grain boundaries
我们发现，声子在石墨烯的热输运是不能免疫的晶界（GB）沿温度梯度的方向排列。非平衡态分子动力学模拟揭示了声子热导率（$κ_p$）沿线性超窄晶界包括纵向重复的五边形-七边形位错的大幅减少。格林函数计算和谱能量密度分析表明，$κ_p$是周期性应变场的复杂表现，表现为具有漫反射和镜面声子反射的反射式衍射光栅，是声子-声子非谐散射源。我们的研究结果提供了新的见解的完整性的声子热输运GB石墨烯。
2021-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Modeling of the self-limited growth in catalytic chemical vapor deposition of graphene
鉴于其潜在应用，晶片级连续单晶石墨烯层的开发是关键。为此，在这里，我们铺平了道路的朗缪尔吸附理论和二维结晶的框架中的石墨烯生长模型。具体而言，我们使用甲烷作为碳前体来模拟石墨烯在铜上的成核和生长。该模型导致识别的范围内的生长参数（温度和气体压力），唯一需要最终的表面覆盖的石墨烯。这成为解决多晶石墨烯层的连续性和晶粒尺寸的基本问题的宝贵工具。该模型与文献中现有的实验数据一致。在这里开发的石墨烯生长的“等高线图”和大石墨烯晶粒的优化生长的现有证据的基础上，为工程晶片级连续石墨烯膜提供了新的见解。
2013-04-12 cond-mat.mtrl-sci
