硬质合金表面镍过渡层对碳原子沉积与石墨烯生长影响的分子动力学模拟研究

作     者：余欣秀 李多生 叶寅 朗文昌 刘俊红 陈劲松 于爽爽 

作者机构：南昌航空大学材料科学与工程学院 苏州艾钛科纳米科技有限公司 安徽财经大学管理科学与工程学院 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(51562027,12062016) 江西省重点研发计划重点项目(20201BBE51001) 江苏省重点研发计划(产业前瞻与关键核心技术)(BE2021055) 

主　　题：分子动力学 石墨烯 物理气相沉积 镍过渡层 高温退火 

摘      要：石墨烯具有优异的力学性能，是一种较佳的硬质合金刀具涂层材料。本文采用分子动力学，以硬质合金（WC-Co）为基底，并以Ni为过渡层，建立沉积石墨烯涂层模型，模拟Ni、C原子连续沉积和高温退火过程，研究沉积温度和入射能量对石墨烯涂层生长的影响，探究石墨烯沉积过程。模拟结果发现，在沉积温度1100 K时，石墨烯的覆盖率较高，结构平整。较高的沉积温度有助于提供碳原子足够的动能来克服成核的势能障碍，减少石墨烯生长缺陷。温度过高导致碳原子不断在优先沉积的碳环处堆积形成多层网状结构和无序结构，形成的石墨烯涂层覆盖率低。入射能量的增加有助于减少石墨烯中的空位缺陷；但入射能量过高，C-C的吸附作用较之C-Ni的吸附作用更强，导致涂层连续性较差。入射能量为1 eV时，涂层表面粗糙度较低，生长出较多的的单层状石墨烯。1100 K退火时，碳膜在Ni过渡层同时存在溶解-成核过程，Ni过渡层催化消除了部分石墨烯缺陷，六元碳环数量增多，适宜的高温退火有利于缺陷碳环的修复重构和碳链的重排成环，提高了石墨烯质量。因此，沉积温度1100K、入射能量1eV时，石墨烯沉积完后并退火，可生长出较高质量的石墨烯涂层。