化学气相沉积法(CVD)是一种制备高纯度、高性能固态材料的化学方法,被广泛应用于工业生产中半导体薄膜的制备。随着碳纳米材料尤其是碳纳米管、石墨烯等材料制备工艺的快速发展,也逐步推动了 CVD方法在这一领域的应用。采用CVD法制备得到的石墨烯品质高、规模大,并且制备操作方便快捷,相对于其它合成方式来说成本较低,因此,CVD法目前已经逐渐成为了制备高质量大晶畴石墨烯的主要方法。然而,尽管实验研究在石墨烯的CVD合成方面取得了接连的突破性进展,但是无法进一步从原子层面准确描述石墨烯的生长机理。通过理论模拟研究石墨烯的生长动力学过程为其实际应用提供了原子尺度上的机理解释,可以帮助我们获得提高石墨烯生长质量的优化方法。本论文主要通过构建理论模型对CVD方法生长石墨烯的过程进行原子尺度上的动力学模拟,根据石墨烯的生长情况对其成核和生长机理进行分析,从而探究出金属衬底与C原子之间的相互作用、前驱体、外加碳源添加方式等因素对石墨烯生长机理的影响,并进一步为实验上制备高质量大面积的石墨烯提供理论支撑。主要研究内容如下:在第一章中,主要概述了本论文的研究背景及主要研究意义,包括石墨烯的四种主流制备工艺方法、通过CVD方法制备石墨烯的研究进展和现状、改进石墨烯制备工艺的研究方法等。随后,指出当前研究存在的问题及本论文的研究思路,并对本论文研究内容进行了简要的概括;在第二章中,主要对密度泛函理论和紧束缚近似方法进行了详细描述;在第三章中,采用了基于自洽电荷-紧束缚近似密度泛函理论的量子化学分子动力学方法对CVD方法生长石墨烯的过程进行了动态模拟,探究了前驱体种类(C24、C16)、碳源添加方式(前驱体外延逐点添加)对石墨烯生长的影响,从原子尺度上探究了提高石墨烯生长质量的作用机理,旨在为CVD方法生长石墨烯的新方法的开发提供理论依据和理论指导。研究结果表明:在石墨烯形核的前期,在前驱体外延逐点添加C2基团的碳源添加方式,使得石墨烯的形核过程需要经历一段时间的“形核准备期”,这一段“准备期”包含新添加的C2基团在前驱体上的附着以及前驱体外延非六元多元碳环的生成,这也为后期形成缺陷较少的高质量石墨烯提供了良好的结构基础。此外,在前驱体的扶手椅型边缘处观察到了由五元碳环转化为六元碳环的组织重构现象,通过在新添加的C2基团和前驱体之间相互作用力下出现的sp3杂化现象,进一步提高了石墨烯的形核质量。因此,前驱体边缘结构的配置对石墨烯前期的形核质量起着至关重要的作用,由于C24前驱体外延的锯齿型边缘、外延边缘的所占比例要高于C16前驱体,因此其在石墨烯形核生长的前期可以生成相对较多的六元碳环。在石墨烯成核的后期,石墨烯的形核主要取决于添加的C2基团与前驱体之间的相互作用,因此在相同碳密度下添加C2基团数量更多的Ni(111)+C16体系获得了相对较高的六元碳环生成率;在第四章中,对本论文进行了概括总结,阐明了论文的主要创新点,并对接下来的工作进行了展望。