石墨烯是一种由sp2杂化碳原子连接形成的超薄二维晶体材料,因其独特的物理和化学性能,有望在电化学储能、柔性电子器件、光通信、未来半导体器件等领域得到广泛应用。对石墨烯来说,微观结构是决定其独特物理、化学特性的重要因素之一,表现在细微的结构变化都会带来重大的性能改变。因此,发展调控石墨烯微观结构的新方法,不断地深化认识石墨烯结构-性能的本征联系,这对于拓展石墨烯的应用具有深远的研究意义。原位电子束辐照是一种可以在原子尺度上对纳米材料进行可控生长与加工的技术,同时可以记录材料在电子束下的动态结构演变,这为解析其生长规律和揭示结构-性能的本征联系提供了最直观的实验依据。本论文以透射电子显微镜中的高能电子束作为工具,研究了金属原子与石墨烯的相互作用,如金属原子如何催化生长石墨烯,桥连不同sp2碳纳米材料构筑异质结构,以及诱导生长出新型的二维金属单原子膜,并对相关的变化机制进行了解析。主要研究内容如下:1.研究了铬原子在石墨烯晶格中形成的掺杂缺陷及稳定性。采用热裂解乙酰丙酮铬的方法制备了铬原子修饰的石墨烯,利用原位电镜对铬原子在石墨烯晶格内形成的不同配位构型的掺杂缺陷结构进行了分析。结合实验和第一性原理计算研究了80 keV电子束辐照下,铬原子掺杂缺陷的稳定性。铬原子与碳原子间的结合能很强,这使它很难通过互换位置的方式在石墨烯晶格内发生移动,具有很好的稳定性。2.研究了在电子束驱动下,铬原子催化生长石墨烯的动态过程。当80 keV电子束辐照吸附在石墨烯边缘的铬原子时,铬原子在移动的同时催化生长出具有锯齿形边缘的石墨烯;铬原子还可以利用碳纳米管中的碳原子,将石墨烯的纳米孔修复了。这些表明铬原子具有催化生长sp2碳纳米材料的能力。结合分子动力学模拟计算,研究了铁原子和铬原子在石墨烯边缘的单原子催化反应机制的差异,分析了导致二者催化活性差异的内在原因。3.研究了在电子束和铬原子的共同作用下,sp2纳米结构间发生相互转变的动态过程。铬原子作为一种分子锚,将石墨烯、碳纳米管、富勒烯等不同sp2碳纳米结构相连接,构筑成新的同素异质纳米结构。此外,在电子束辐照和铬原子地共同作用下,可以驱使碳纳米管通过不断地收缩闭合转变成富勒烯C260。结合实验和密度泛函数计算分析了诱导动态结构转变的关键因素。4.研究了在电子束辐照诱导下,一个悬浮在石墨烯边缘的二维金纳米带形成的动态过程。形成的二维金纳米带具有六方密堆积的晶体结构,晶格常数为2.71±0.01 A,比较TEM图像模拟和实验结果证实了这是一个由金原子组成的,且仅有一个原子厚的二维纳米带。二维金纳米带在80 kV的电子束下表现出具有极佳的稳定性,经过5分钟的辐照后依然能够保持结构完整,最后结合已报道的理论研究和对金原子与石墨烯边缘界面结构对金纳米带的稳定性进行了分析。