基于第一性原理的密度泛函理論，研究了合金原子在鋁基體和石墨烯/鋁界面中的擴散遷移行為。通過對比在鋁基體和石墨烯/鋁界面上鋁原子的遷移勢壘，發現鋁原子更傾向于向界面遷移，為脆性相Al
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3的形成提供了條件。計算了41個合金原子在鋁基體和石墨烯/鋁界面處的擴散遷移行為，選擇了一組在界面處傾向于聚集的合金元素(Sc、Cu、Si、Ni等)。還發現Si、Cu、Ni和Co原子比Al原子更容易遷移到界面上。最后，研究了具有碳原子空位缺陷的石墨烯/鋁界面上合金原子的遷移行為，與完美界面相比，大多數合金原子在具有碳原子空位缺陷的石墨烯/鋁界面上的遷移能變化不大，而Sc和B原子更傾向于具有空位缺陷的石墨烯/鋁界面。理論研究結果有望為未來高性能石墨烯/鋁復合材料的實驗設計提供理論依據。
圖1. 合金原子在鋁基體和界面中擴散遷移的晶體結構，其中紫色原子為Al原子，灰色原子為C原子，青色原子為摻雜合金原子。
圖2. 鋁原子在鋁基體和石墨烯/鋁復合材料界面的遷移能。
圖3. (a)完美鋁、(b)有缺陷鋁晶體、(c)石墨烯/鋁界面、(d)缺陷石墨烯/鋁界面、(e)缺陷石墨烯/合金原子/鋁界面的電荷密度差。
圖4. Li, B, N, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc;Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y;Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pb, Ag, Cd, In, Sn;La, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb合金原子在(a)鋁基質中、(b)石墨烯/鋁界面、(c)有碳原子空位缺陷的石墨烯/鋁界面處的遷移能量。
圖5. 合金原子在鋁基體和石墨烯/鋁界面上遷移能的比較。
圖6. 在完美石墨烯/鋁界面與缺陷石墨烯/鋁界面合金處原子遷移能的比較。
相關研究成果由哈爾濱工業大學材料科學與工程學院 Jingchuan Zhu等人于2023年發表在Surfaces and Interfaces (https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.102825)上。原文：Insights into the diffusion migration behavior of alloy atoms at the graphene/aluminum interface: First-principles calculations。
轉自《石墨烯研究》公眾號
