氬團簇填充到雙層石墨烯的分子動力學模擬

崔樹穩 魏連甲

摘 要：石墨烯是一種新型的碳納米二維材料，具有廣泛的應用。本文采用分子動力學模擬，研究了雙層石墨烯不同層間距（）對其內氬團簇構型的影響。發現在受限二維空間內，層間距離的大小對氬團簇的構型有很大的的影響：當=7和8時，形成單層的結構， 當= 9～11時，形成雙層的結構，當=13時，形成三層的結構， 當=15時，出現了四層結構。本研究可為石墨烯的應用及新型碳基插層復合材料的制備提供一定的理論支撐。

關鍵詞：石墨烯;填充;團簇;分子模擬

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0244-01

0 引言

石墨烯是一種新型的碳納米二維材料，具有大的比表面積、優越的電子性能和機械性能等特點， 可用于超級電容器、光催化、納米薄膜等，具有廣泛的應用。雙層石墨烯具有納米尺度的層間距，且層間距具有可調節性等優點，對填充其內的物質的平衡結構（構型）有很大的影響。Algara-Siller等和Nair等發現了在石墨烯狹縫孔中，水可以形成“方形冰”結構。由于現有實驗方法很難直接觀測到如此小的受限空間內分子行為，分子模擬成為研究受限性質的有效方法。趙夢堯等人采用分子模擬方法研究了原態石墨烯/羥基改性石墨烯狹縫孔道中水分子的微觀行為。最近南怡伶等人采用非平衡分子動力學模擬方法，研究了不同間距納米狹縫之間水的流動行為。受到上面研究結果的啟發，我們希望進一步研究雙層石墨烯不同層間距（）對其內團簇構型的影響，本文采用分子動力學模擬，研究了氬團簇在層間距（）為5～15的雙層石墨烯層間的構型。通過本文的研究，可以進一步幫助人們認識限域環境對團簇構型的影響，為石墨烯的應用及新型碳基插層復合材料制備提供一定的理論支撐。

1 模擬方法

雙層石墨烯模型采用20×15×1原胞，共1272個原子，豎軸方向上真空層的厚度設置為20，以避免體系相互影響。為了研究層間距的影響，選取石墨烯間距從5～15的不同模型。不同間距模型對應的氬團簇原子數目從8～193。分子動力學模擬采用Material Studio中的Forcite模塊。模擬過程中，雙層石墨烯的碳原子位置固定。首先對初始結構進行幾何優化，降低初始模型的能量，對優化后的初始體系在溫度為20K下，進行NVT分子動力學馳豫，模擬中采用Compass力場，初始速度從Boltzmann隨機分布中選取，溫度采用Berendsen提出的方法進行控制，運動方程采用Velocity-Verlet方法積分求解，時間步長為1fs。

2 結果與討論

對于模擬體系，表1給出了平衡時，不同層間距下雙層石墨烯間填充的氬原子個數和平衡構型的層數。

為了便于比較，給出了體系在=9、13和15平衡構型的側面圖，如圖1所示。

從表1和圖1可以看出，當層間距為5和6時，氬原子不能進入雙層石墨烯中。隨著層間距的增大，層間氬原子數目增加，氬原子需更長的時間才能達到平衡構型。層內氬團簇形成明顯的層狀結構，并且在石墨烯狹縫內氬原子以平行于石墨烯表面的形式存在，當=7和8時，形成單層的結構，當=9～11時，形成雙層的結構，當=13時，形成三層的結構，接近石墨烯表面的兩層原子最多，中間層氬原子數減少，當=15時，出現了四層結構，與=13時構型類似。并且從圖中還可以看出，接近石墨烯表面的一層原子最多，原子從此層到接近中心處逐漸減少。這種現象可以歸因于：石墨烯壁和氬原子強的相互作用，氬原子沿壁面定向排布，可以近似稱之為“模板效應”。不同層間距，對氬團簇的結構存在一定的影響。

3 結語

本文采用分子動力學模擬，研究了雙層石墨烯不同層間距（）對其內團簇構型的影響。發現只有當層間距大于6時，氬原子才能進入雙層石墨烯中，雙層石墨烯層內氬團簇形成明顯的層狀結構，當=7和8時，形成單層的結構，當=9～11時，形成雙層的結構，當=13時，形成三層的結構，隨著層間距的增大，構型的層數增多。并且在石墨烯層間氬原子以平行于石墨烯表面的形式存在。可以近似得出，當層間距足夠大時，層間團簇構型將會與體相沒有區別。本研究可為石墨烯的應用及新型碳基插層復合材料的制備提供一定的理論支撐。

參考文獻

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