[论文解读] Effect of edge structures on elastic modulus and fracture of graphene nanoribbons under uniaxial tension

Qiang Lü, Rui Huang|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2010

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 33被引用 3

一句话总结

本研究利用原子尺度模拟，探究了在单轴拉伸下，边缘结构（扶手椅型与锯齿型）对石墨烯纳米带弹性模量和断裂行为的影响。研究发现，由于边缘控制的非均质成核机制，扶手椅型纳米带的断裂应变低于锯齿型纳米带；而氢钝化对扶手椅型纳米带影响显著，但对锯齿型纳米带影响较小，边缘手性与宽度通过应变依赖的边缘能效应强烈影响初始杨氏模量。

ABSTRACT

Based on atomistic simulations, the nonlinear elastic properties of monolayer graphene nanoribbons under quasistatic uniaxial tension are predicted, emphasizing the effect of edge structures (armchair and zigzag, without and with hydrogen passivation). The results of atomistic simulations are interpreted within a theoretical framework of thermodynamics, which enables determination of the nonlinear functions for the strain-dependent edge energy and the hydrogen adsorption energy, for both zigzag and armchair edges. Due to the edge effects, the initial Young's modulus of graphene nanoribbons under infinitesimal strain varies with the edge chirality and the ribbon width. Furthermore, it is found that the nominal strain to fracture is considerably lower for armchair graphene nanoribbons than for zigzag ribbons. Two distinct fracture mechanisms are identified, with homogeneous nucleation for zigzag ribbons and edge-controlled heterogeneous nucleation for armchair ribbons. Hydrogen passivation of the edges is found to have negligible effect on the mechanical properties of zigzag graphene nanoribbons, but its effect is more significant for armchair ribbons.

研究动机与目标

• 理解边缘结构（扶手椅型与锯齿型）在单轴拉伸下对石墨烯纳米带力学响应的影响。
• 量化纳米带宽度与边缘手性对初始弹性模量的影响。
• 研究氢钝化对机械性能及断裂机理的影响。
• 通过热力学与原子尺度建模，识别并区分不同边缘类型下的断裂机理。
• 从模拟数据中推导出应变相关的边缘能与氢吸附能函数。

提出的方法

• 在准静态单轴拉伸条件下，采用原子尺度分子动力学模拟，研究单层石墨烯纳米带的力学响应。
• 系统改变纳米带宽度与边缘结构（扶手椅型、锯齿型，含/不含氢钝化）。
• 应用热力学框架解释模拟结果，并提取应变依赖的边缘能与氢吸附能函数。
• 通过分析应力-应变曲线，确定弹性模量与断裂应变。
• 通过原子尺度观测键断裂过程，识别断裂成核位置与机理。
• 对比锯齿型与扶手椅型纳米带的力学行为，分离出边缘特异性影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 边缘手性（扶手椅型与锯齿型）如何影响石墨烯纳米带的初始弹性模量？
• RQ2 纳米带宽度如何影响弹性模量与断裂应变？
• RQ3 氢钝化如何改变不同边缘结构石墨烯纳米带的机械性能？
• RQ4 扶手椅型与锯齿型石墨烯纳米带中的主导断裂机理由何不同？
• RQ5 应变相关的边缘能与氢吸附能如何随形变变化？

主要发现

• 石墨烯纳米带的初始杨氏模量强烈依赖于边缘手性与纳米带宽度，扶手椅型边缘在小宽度下表现出更低的刚度。
• 扶手椅型石墨烯纳米带的名义断裂应变显著低于锯齿型纳米带，且随着纳米带宽度减小，断裂应变进一步降低。
• 锯齿型纳米带通过裂纹的均质成核机制失效，而扶手椅型纳米带则通过边缘控制的非均质成核机制失效。
• 氢钝化对锯齿型纳米带的机械性能影响极小，但显著提高扶手椅型纳米带的断裂应变，并改变其失效模式。
• 本研究推导出应变依赖的边缘能与氢吸附能函数，其变化规律与边缘类型及形变程度系统相关。
• 扶手椅型纳米带的断裂始于边缘原子，表明其对边缘位点具有强敏感性；而锯齿型纳米带在失效前表现出更均匀的应力分布。