C原子在Cu(200)表面吸附的第一原理研究

2014-09-21付志雄毕冬梅赵利军

长春大学学报 2014年6期

关键词：结构

付志雄，毕冬梅，赵利军

(长春大学理学院，长春 130022)

0 引言

2004年，英国曼切斯特大学的科学家利用胶带剥离高定向热解石墨获得了独立存在的高质量石墨烯［1］。石墨烯是由单层C原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构，是构成其他维数碳材料的基本结构单元［2］。石墨烯具有优异的电学特性、良好的透光性和机械特性［3］。在超级电容器、锂离子电池以及燃料电池等方面具有广泛的应用前景［4］。

化学气相沉积方法是制备大面积高质量石墨烯的主要方法，常用的性能最好的催化剂是Cu和Ni。2009年，研究人员首次在Cu衬底表面生长出单层占95%的石墨烯［5］。C在Cu中的固溶度很低，在Cu衬底上石墨烯的生长机制为表面生长，即高温下气态碳源裂解生成的C原子吸附在金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯［6］。因此，C原子在Cu表面的吸附是Cu衬底上化学气相沉积制备石墨烯的重要步骤。第一原理计算已被广泛用于研究原子或分子在表面的吸附，例如，研究人员对C原子在Ni表面和亚表面的吸附做了详细分析，通过研究C原子的扩散来说明Ni表面碳纳米管和碳纳米纤维的生长［7］。

本文采用第一原理密度泛函理论研究C原子在Cu(200)表面的吸附，计算C原子在Cu(200)表面的吸附能，探讨C原子吸附对Cu(200)表面的几何结构、电荷分布和差分电荷密度的影响，为揭示Cu表面石墨烯的生长机理提供理论指导。