基于鋸齒型graphene條帶的金納米結(jié)構(gòu)

李愛華 朱湘萍 尹鑫桃

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基于鋸齒型graphene條帶的金納米結(jié)構(gòu)

李愛華 朱湘萍 尹鑫桃

（湖南科技學(xué)院 理學(xué)院，湖南 永州 425199）

鋸齒型graphene條帶；金納米結(jié)構(gòu)；分子動力學(xué)模擬

1　引　言

2004年Geim和Novoselov采用機(jī)械剝離的方法首次成功制備出石墨烯片(graphene)，它是由sp2方式雜化的碳-碳鍵排列而成的單原子厚度的六角蜂窩晶格的二維材料。石墨烯納米條帶(GNRs)便是按照一定形狀從graphene中裁剪形成的一維碳納米材料，根據(jù)裁剪邊界的形狀可分為鋸齒型GNRs（ZGNR）和扶手椅型GNRs（AGNR）兩種類型。[1]Graphene可以與硅、金屬粒子（Au、Pt、Pd、Ag等）、金屬氧化物（SnO2、TiO2、MnO2等）、聚合物、碳納米管等形成各種復(fù)合材料。這類復(fù)合物在能源材料、催化、生物傳感器等方面有廣泛用途。2006年Ruoff等用化學(xué)方法制備出具有優(yōu)異導(dǎo)電性的graphene-聚合物的復(fù)合材料，引起了人們的極大關(guān)注。[2]2008年李愛華等已采用分子動力學(xué)模擬方法研究了不同溫度下硅原子在GNRs邊上形成新型GNRs-硅復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的過程。[3]

Au在電子工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域是極其重要的功能材料，但常規(guī)尺寸的Au粒子是一個催化性能較差的過渡金屬，很難將它高分散地負(fù)載于載體表面并制備成分散度很高的催化劑。實(shí)驗(yàn)上曾利用真空沉積法在高定向石墨基底上形成了間距均勻、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的準(zhǔn)一維Au粒子鏈和Au納米線。[4]碳納米管也曾被證實(shí)是Au納米顆粒的理想的負(fù)載材料。[5]由于graphene具有同樣奇特的電子特性，更大的比表面積，制作成本要低于碳納米管，將ZGNR作為催化劑載體，將Au原子隨機(jī)沉積在ZGNR表面形成ZGNR與Au復(fù)合材料是可行的。

2　勢能模型和模擬參數(shù)

構(gòu)造初始結(jié)構(gòu)：(1)構(gòu)建模擬原胞長度為72.55?，ZGNR中C-C鍵長取1.42?，在其y軸與z軸的正負(fù)方向均留出足夠的真空層，x軸的兩端使用周期性邊界條件，并截斷ZGNR上下邊界自身碳原子的相互作用。(2)Au原子的初始狀態(tài)是隨機(jī)放置在模擬原胞里，Au原子與碳原子間的初始平均距離為3?。

ZGNRn-Aum體系的生長過程采用正則系綜(NVT)進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，采用5階Gear預(yù)測矯正算法來實(shí)現(xiàn)體系動力學(xué)方程的數(shù)值積分，采用速度標(biāo)度方法控制溫度，模擬步長取1fs，截斷距離取10?。對ZGNRn-Aum體系每種結(jié)構(gòu)，先在298K下做10ps的松弛，接著在298K下進(jìn)行弛豫平衡模擬，模擬時間為100ps，并選取10K/ps的退火率將其退火至0K。再將模擬結(jié)果分別以100K遞增至1000K升溫模擬，并分別再次選取退火率為10K/ps、20K/ps、40K/ps和80K/ps退火到300K，并再做100ps弛豫平衡獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3　ZGNRn-Aum體系的模擬結(jié)果與討論

3.1 ZGNR360-Aum (m=55，60，87，115)

ZGNR360-Aum(m=55，60，87，115)體系中不同原子數(shù)密度的Au納米結(jié)構(gòu)及其徑向分布函數(shù)g(r)分別如圖1中的(a)、(b)、(c)、(d)所示，模擬結(jié)構(gòu)均截取其生成Au顆粒的那段結(jié)構(gòu)。

3.2 ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)

圖2. ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)的Au納米結(jié)構(gòu)。圖中每種結(jié)構(gòu)的(1)和(2)分別從側(cè)面和俯視的角度所觀察到的結(jié)構(gòu)。

為進(jìn)一步了解吸附在ZGNR表面的Au納米結(jié)構(gòu)，我們計算了ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)體系中Au納米結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)g(r)，分別如圖3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，它們的第一個尖銳的孤立峰值均在0.28nm處，以后依次為第二峰值在0.395nm處，第三峰值在0.485nm處等，表現(xiàn)出較好的規(guī)則性。再從Au結(jié)構(gòu)圖上看，Au原子排列也是整齊有序的。

圖3. ZGNR360-Aum(m= 118，135，180，300，360，586)中Au納米結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)g(r)

3.3 ZGNR360-Aum(m= 180，300，420，586)體系先升溫再退火

將ZGNR360-Aum(m= 180，300，420，586)體系退火獲得的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分別升溫模擬，模擬發(fā)現(xiàn)1000K時，吸附在條帶表面的層狀A(yù)u納米結(jié)構(gòu)凝聚成Au顆粒結(jié)構(gòu)。爾后以10K/ps的退火率分別退火至300K，再做100ps弛豫平衡以便獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。計算弛豫平衡后Au結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)g(r)，我們發(fā)現(xiàn)，如圖4中(a)、(b)、(c)、(d)所示，它們的第一個尖銳的孤立峰值均在0.28nm處，以后依次為第二峰值在0.395nm處，第三峰值在0.485nm處，第四峰值在0.560nm處等，形成類面心立方的Au晶體結(jié)構(gòu)。由于退火速率可能影響模擬結(jié)果，我們另選取了20K/ps，40K/ps和80K/ps三種退火速率進(jìn)行退火模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬情況與退火速率為10K/ps的情形一致。

圖4. ZGNR360-Aum( m= 180，300，420，586)從1000K退火至300K的模擬結(jié)構(gòu)及其徑向分布函數(shù)g(r)

另外考慮到ZGNR的帶寬影響模擬結(jié)果，我們對ZGNR720-Aum和ZGNR1080-Aum(m=55，60，87，115，118，135，180，300，360，420，586)兩種體系也進(jìn)行了相同過程的模擬計算。模擬結(jié)果顯示，Au原子吸附到ZGNR表面形成納米結(jié)構(gòu)的規(guī)律與ZGNR360-Aum體系基本一致，為此，這兩種體系的模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)不再陳述。

4　小　結(jié)

[1]K S Novoselov,A KGeim,S V Morozov,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004, (5696):666-669.

[2]楊文彬,張麗,劉徑偉,等.石墨烯復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料工程, 2015,(3):91-97.

[3]李愛華,張凱旺,孟利軍,等.基于graphene條帶的硅納米結(jié)構(gòu)[J].物理學(xué)報, 2008,(7):4356-4363.

[4]候士敏,陶成鋼,劉虹雯,等.高定向石墨表面金納米粒子和金納米線的研究[J].物理學(xué)報,2001,(2):223-226.

[5]J X Zhong,G M Stocks . Morphological evolution of metal nanoparticles on surfaces of carbon nanotubes[J].Appl Phys Lett,2005,(13):133105-133107.

[6]J.Tersoff.New empirical approach for the structure and energy of covalent systems[J].Phys.Rev.B,1988,(12):6991-7000.

[7]F.Cleri,V.Rosato.Tight-binding potentials for transition metals and alloys[J].Phys.Rev,1993,(1):22-33.

[8]V.Rosato,M.Guillope,B.Legrand.Thermodynamical and structural properties of f.c.c.transition metals using a simple tight-binding model.Philosophical Magazine A,1989,(2): 321-336.

[9]W.D.Luedtke,U.Landman.Slip diffusion and Levy flights of an adsorbed gold nanocluster[J].Phys.Rev.Lett.,1999,82(19): 3835-3839.

[10]J.L.Lewis,P.Jensen,N.Combe,el at. Diffusion of gold nanoclusters on graphite[J]. Phys.Rev.B,2012,61(23):16084-16090.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2017－01－08

2015年湖南科技學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號2015XKY013），2016年湖南科技學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號16XKY067）。

李愛華(1981－)，女，湖南永州人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榈途S凝聚態(tài)物理。

O552.5；0791

A

1673-2219（2017）10-0026-03