对石墨烯/二氧化硅异质结构界面性质及润湿特性的微观研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Microscopic exploration of interfacial and wetting properties of graphene/silica heterostructures

石墨烯/二氧化硅异质结构界面性质与湿度影响研究通过分子动力学模拟系统分析不同接触状态（悬空、部分贴合、高度贴合）对粘附强度及润湿行为的作用机制，揭示拓扑结构调控对界面性能的影响规律，为功能器件设计提供理论支撑。

　　近年来，随着材料科学的快速发展，石墨烯与二氧化硅异质结构因其在多个领域的广泛应用而受到广泛关注。这类结构在电子、机械和光学特性方面表现出优异的性能，因此在传感器、电池电极和超级电容器等设备中具有重要的应用价值。然而，尽管石墨烯与二氧化硅之间的界面特性在实验研究中被不断探索，其在不同接触状态下的粘附性、剥离行为以及润湿性等关键性能仍然存在许多未知之处。为了更深入地理解这些现象，研究者们采用了分子动力学模拟等先进的计算方法，对石墨烯与二氧化硅异质结构的界面行为和润湿特性进行了系统研究。

石墨烯作为一种单层二维材料，因其独特的物理化学性质而成为研究热点。它的结构、电子行为和机械性能使其在许多高科技领域具有广阔的应用前景。在实际应用中，石墨烯通常通过化学气相沉积法沉积在绝缘或半导体基底上。然而，这一过程往往伴随着一些不可避免的问题，如表面波纹和材料质量的下降。二氧化硅作为一种常见的基底材料，其在石墨烯基设备中的应用尤为广泛。为了更好地调控石墨烯的结构和性能，研究人员提出了多种协议，以实现对二氧化硅表面形貌的可控调整。例如，通过蚀刻或材料沉积等方法，可以形成周期性结构、纳米锥体以及各种定制形状。这种形貌调控不仅有助于改善石墨烯的生长质量，还可能提升其在实际应用中的稳定性。

石墨烯与二氧化硅异质结构的粘附性和剥离行为是影响其性能的重要因素。在实验研究中，已有多个研究关注了石墨烯在二氧化硅基底上的粘附能量，例如通过压裂测试、纳米压痕和原子力显微镜等方法。这些研究结果表明，石墨烯与二氧化硅之间的粘附能量远高于传统微机械系统中的粘附强度。然而，尽管粘附强度较高，石墨烯在实际应用中仍然容易从二氧化硅基底上剥离。这表明，石墨烯与二氧化硅之间的界面特性并非一成不变，而是受到多种因素的影响，包括二氧化硅表面的形貌和石墨烯本身的结构。例如，二氧化硅表面的纳米级粗糙度可能导致石墨烯与基底之间无法完全贴合，从而影响其粘附性能。此外，石墨烯的刚性可能阻碍其在二氧化硅表面的完全接触，使得部分区域处于悬空状态。

为了进一步揭示石墨烯与二氧化硅之间在不同接触状态下的粘附行为和润湿特性，研究者们采用分子动力学模拟对实际材料导向的二氧化硅基底进行了建模和构建。这些模拟不仅考虑了二氧化硅表面的形貌特征，还引入了环境因素，如湿度条件，以研究水分子在石墨烯/二氧化硅界面中的行为。在实验研究中，已有报道指出在高湿度条件下，石墨烯/二氧化硅界面可能会形成较厚的水层，从而影响其粘附性和润湿性。然而，水分子如何具体进入石墨烯与二氧化硅之间的层间空间，目前仍缺乏明确的理论解释。此外，虽然密度泛函理论计算表明插入的水层可能会削弱石墨烯与二氧化硅之间的粘附性，但这些计算方法通常使用的是晶体结构和预插入的水层模型，难以准确反映实际的界面行为。

润湿性是石墨烯基设备设计中的一个重要因素，它不仅影响设备的性能，还可能影响其在不同环境下的稳定性。然而，石墨烯的润湿性一直是一个存在争议的问题。已有研究表明，石墨烯的存在可能会破坏水与玻璃之间的氢键相互作用，从而影响水/玻璃接触角。因此，石墨烯涂层在某些情况下可能不会提供显著的润湿透明性。然而，另一项实验研究指出，通过调控石墨烯在纳米图案化二氧化硅表面的面积比例，可以改变其润湿性。例如，石墨烯在微米级孔阵列二氧化硅基底上可能实现从亲水性向疏水性的转变。这些实验结果表明，石墨烯的润湿性可能受到其接触状态的影响，因此需要进一步研究不同接触状态对石墨烯/二氧化硅异质结构润湿性的影响。

在本研究中，我们采用分子动力学模拟方法，对石墨烯/二氧化硅异质结构的界面行为和润湿特性进行了系统研究。我们构建了一系列具有可调节起伏高度和光滑度的实用化二氧化硅表面模型，以模拟真实材料的界面特性。首先，我们研究了二氧化硅表面形貌对石墨烯粘附和剥离行为的影响，特别是在不同接触状态下。随后，我们探讨了在湿度条件下，石墨烯/二氧化硅复合结构的界面行为。最后，我们首次揭示了不同接触状态对石墨烯/二氧化硅复合结构润湿性的影响。这些研究结果不仅有助于更深入地理解石墨烯/二氧化硅异质结构的界面特性，还可能为设计和应用此类异质结构提供理论指导。

为了确保模拟的准确性，我们采用了熔融-淬火法来构建二氧化硅结构，这种方法已被广泛应用于模拟非晶态材料。我们首先制备了α-石英（100）晶体结构，该结构包含20,172个硅原子和40,344个氧原子。随后，通过熔融-淬火过程，我们获得了非晶态二氧化硅结构。为了研究石墨烯与非晶态二氧化硅之间的相互作用，我们构建了多种不同形貌的二氧化硅基底，并在这些基底上模拟了石墨烯的沉积过程。通过这些模拟，我们观察到石墨烯在非晶态二氧化硅表面可以呈现出三种不同的接触状态：悬空、部分贴合和高度贴合。其中，悬空状态下的石墨烯表现出极低的粘附强度，而高度贴合状态下的石墨烯则显示出较强的粘附性。

在湿度条件下，我们进一步研究了水分子在石墨烯/二氧化硅异质结构中的行为。通过使用大规范统计模拟方法，我们生成了吸附在石墨烯/二氧化硅界面的水层。这些模拟结果表明，水分子可以进入石墨烯与二氧化硅之间的层间空间，从而影响其粘附性和润湿性。此外，我们还观察到在湿度条件下，石墨烯/二氧化硅异质结构的界面行为发生了显著变化，这可能与水分子在界面中的扩散有关。然而，由于二氧化硅表面的高粗糙度，实验上难以直接观察到水分子在石墨烯/二氧化硅界面中的扩散过程。因此，通过分子动力学模拟，我们能够更清晰地揭示水分子在界面中的行为及其对石墨烯/二氧化硅异质结构性能的影响。

在研究过程中，我们还关注了不同接触状态对石墨烯/二氧化硅异质结构润湿性的影响。通过模拟不同面积比例的石墨烯在纳米图案化二氧化硅表面的分布情况，我们发现其润湿性可以被显著调控。例如，石墨烯在微米级孔阵列二氧化硅基底上可能表现出从亲水性向疏水性的转变。这些结果表明，石墨烯的润湿性不仅受到其自身结构的影响，还可能受到二氧化硅表面形貌的影响。因此，通过调控二氧化硅表面的形貌，可以实现对石墨烯/二氧化硅异质结构润湿性的有效控制。

此外，我们还研究了水分子在石墨烯/二氧化硅异质结构中的插入过程。通过分子动力学模拟，我们捕捉到了水分子在界面中的动态行为，包括其如何进入石墨烯与二氧化硅之间的层间空间。这些模拟结果表明，水分子的插入可能会影响石墨烯/二氧化硅异质结构的粘附性和润湿性。然而，由于二氧化硅表面的高粗糙度，实验上难以直接观察到这一过程。因此，通过分子动力学模拟，我们能够更准确地理解水分子在界面中的行为及其对异质结构性能的影响。

综上所述，本研究通过分子动力学模拟方法，对石墨烯/二氧化硅异质结构的界面行为和润湿特性进行了系统研究。我们构建了多种不同形貌的二氧化硅基底，并模拟了石墨烯在这些基底上的沉积过程。通过这些模拟，我们揭示了石墨烯在不同接触状态下表现出的粘附性和剥离行为，以及在湿度条件下水分子对界面行为的影响。此外，我们还首次发现了不同接触状态对石墨烯/二氧化硅异质结构润湿性的影响。这些研究结果不仅有助于更深入地理解石墨烯/二氧化硅异质结构的界面特性，还可能为设计和应用此类异质结构提供理论支持。通过调控二氧化硅表面的形貌，可以实现对石墨烯/二氧化硅异质结构的润湿性和粘附性的有效控制，从而提升其在实际应用中的性能。