IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
二维原子晶体弯曲的物理力学行为和规律
Alternative TitlePhysical mechanics for bending behaviors of two-dimensional atomic crystals
潘斗兴
Thesis Advisor王自强
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Abstract基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算并结合经典的连续介质方法系统地研究了3类典型的二维原子晶体在纯弯变形下的物理力学行为和规律。3类二维晶体分别为国际上普遍关注的碳原子单层石墨烯(GR)和六方氮化硼(BN)薄膜,三原子层过渡金属(M=Mo,Se)硫属 (X=S,Se)化合物薄膜(TMDCs,MX2), 尤其是,双原子层的正交型黑磷(OBP,简称黑磷)和斜方型黑磷(RBP,简称蓝磷)。 (1) 发现TMDCs发生弯曲变形时,平行于弯矩方向的一侧发生了附带的变形,且变形和二维晶体的手性相关。由于该现象在氟化石墨烯(F-GR)和氟化氮化硼(F-BN)等更为广泛的二维晶体中普遍存在,且是经典的连续介质力学无法描述的,故称之为弯曲泊松效应。深入研究表明,弯曲泊松效应还具有奇特的应变约束现象,即沿着某个特定的手性方向施加弯矩时,侧向的附加应变会自行得以抑制,OBP和RBP尽管均为磷原子构成的平面晶体,却因OBP特有的瓦楞状褶皱形貌,使得沿弓型方向弯曲时无任何侧向应变,而RBP则在手性角为15°时侧向应变也近似为零。最后以二硫化钼(MoS2)为例,进一步将弯曲泊松效应等效转化为传统的表示形式,从力学意义上对弯曲泊松效应和传统泊松效应加以区别。 (2) 揭示了OBP纯弯变形行为的各向异性及其沿锯齿型方向过早的失稳现象,定量地计算了OBP的弯曲刚度,并与GR和 MoS2的弯曲变形行为进行了比较。结果表明刚度过大的锯齿型弯曲是导致其失稳区过早出现的力学根源, 而磷原子上孤对电子的排斥作用则是弯曲变形呈现各向异性的主要物理机制。为了进一步考察OBP失稳区的结构特征,还从第一性原理分子动力学,声子谱和加氢钝化3个方面进行了分析,发现失稳后的纳米线具有动力学上的稳定性,由此判断失稳过程的实质是一种相变现象。最后还从电子云分布,分波态密度和能带结构3个方面分析了相变机理,揭示了锯齿纳米管能带结构中局域性较强的d窄带,Peierls效应以及新纳米线中特殊的杂化成键共同导致了相变现象的发生。 (3) 在研究所有3类典型二维材料纯弯变形的基础上,发现了弯曲致伸长效应,即材料在弯曲过程中几何中性面沿纳米带的长度方向出现了同步的应变增长现象,这也是经典的板壳理论无法描述的。首先,对该现象给出了简捷准确的测量方法和严谨明确的中面伸长率定义式,通过大量的DFT计算模拟与深入的数据分析,发现了中面伸长率随弯曲曲率的变化符合统一的幂律。其次,对幂律型的中面伸长率从点阵变位细节进行分析,并从变分原理的角度说明了拉弯组合模型对于弯曲致伸长现象的描述也是失效的。最后,从广义杂化轨道原理(GHOP)和价层电子互斥原理(VSERT)以及原子交互作用势3个方面阐明了二维原子晶体弯曲致伸长效应的物理机制,明确指出了反π轨道极化和键长键角的变化是由杂化轨道的稳定性引起的,磷原子孤对电子2e-的排斥效应是由VSERT决定的,几何中性面和物理中性面的分离则主要取决于原子引力与斥力之间的差异。
Call Number31237
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55076
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
潘斗兴. 二维原子晶体弯曲的物理力学行为和规律[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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