基于ZGNR的Au納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性

李愛華 朱湘萍 李 榮

基于ZGNR的Au納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性

李愛華a朱湘萍a李 榮b

（湖南科技學(xué)院 a.理學(xué)院;b.智能制造學(xué)院,湖南 永州 425199）

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了ZGNR-Au（<600）納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。首先計(jì)算了單個(gè)Au原子吸附在ZGNR上的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)Au原子吸附到ZGNR條帶面上的位置更容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；其次計(jì)算了Au納米結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)Au原子數(shù)目越大擴(kuò)散系數(shù)越小越易被吸附在ZGNR條帶表面；最后計(jì)算了不同溫度下Au（=118，135，180，300，360，586）納米結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)與Lindemann指數(shù)，發(fā)現(xiàn)剝離ZGNR的Au納米結(jié)構(gòu)的熔化溫度約600 K，而覆蓋在ZGNR表面的Au納米結(jié)構(gòu)的熔化溫度約為700 K，說明后者的熱穩(wěn)定性要比前者的好。

ZGNR；Au納米結(jié)構(gòu)；熱穩(wěn)定性；分子動(dòng)力學(xué)模擬

Graphene[1]是碳原子分布在二維蜂巢晶格點(diǎn)陣上的單原子層晶體，是一種具有開放邊的sp2碳網(wǎng)狀的理想二維量子體系。根據(jù)裁剪邊界的形狀可分成鋸齒型石墨條帶(ZGNR)和扶手椅型石墨條帶(AGNR)。分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明，隨機(jī)分布的硅原子在不同溫度下吸附到ZGNR和AGNR邊上可形成新型碳-硅復(fù)合納米結(jié)構(gòu)[2]。隨機(jī)分布的Au原子在不同溫度下吸附到ZGNR條帶表面也可形成新型ZGNR-Au納米結(jié)構(gòu)[3]。本文在此基礎(chǔ)上采用分子動(dòng)力學(xué)方法繼續(xù)研究Au原子吸附在ZGNR上的結(jié)合能、擴(kuò)散系數(shù)及其納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。

1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的勢(shì)函數(shù)和參數(shù)

采用Materials Explorer計(jì)算軟件，選取正則系綜（NVT）進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬計(jì)算過程，采用5階Gear預(yù)測(cè)-校正算法計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分，采用速度標(biāo)度法控制溫度，模擬步長(zhǎng)1 fs，截?cái)嗑嚯x1nm，采用周期性邊界條件。構(gòu)造初始結(jié)構(gòu)，模擬原胞長(zhǎng)度為7.3785nm，包含360個(gè)碳原子的ZGNR，帶寬為1.136nm。模擬體系的初始狀態(tài)是在ZGNR原胞表面附近隨機(jī)放入（<600）個(gè)Au原子，Au原子與碳原子間的距離在0.3nm左右。

2 計(jì)算模擬結(jié)果與分析

2.1 單個(gè)Au原子吸附在ZGNR的結(jié)合能

隨機(jī)放入一個(gè)Au原子到模擬原胞內(nèi)，將ZGNR-Au體系在非常小的溫度下弛豫一段時(shí)間，而后緩慢地將其退火至0 K，最后再將退火結(jié)果在0 K下弛豫使體系達(dá)到平衡狀態(tài)。這里考慮幾類比較特殊的吸附位置計(jì)算結(jié)合能，如圖1所示，A類位置為ZGNR帶邊鋸齒頂端點(diǎn)，C類位置為ZGNR帶邊鋸齒谷底點(diǎn)，T類位置在帶面的碳原子正上方，H類位置在帶面六角碳環(huán)中心的正上方，B類位置在帶面六角碳環(huán)的碳碳鍵中心的正上方。

圖1 Au原子吸附在ZGNR上的各類位置

為了保證結(jié)合能的計(jì)算結(jié)果更合理，選取單個(gè)Au原子吸附在ZGNR同類位置的不同點(diǎn)重復(fù)模擬數(shù)次，取其平均值計(jì)算出單個(gè)Au原子吸附在ZGNR條帶各類位置的結(jié)合能。結(jié)合能的計(jì)算公式為：

式(1)中，ZGNR是ZGNR單獨(dú)存在時(shí)的總能量，Au是單個(gè)Au原子單獨(dú)存在時(shí)的能量，Au+ZGNR是單個(gè)Au原子和ZGNR組成復(fù)合體系后的總能量。根據(jù)式(1)所得出的計(jì)算結(jié)果與采用第一性原理計(jì)算的結(jié)果非常接近，如表1所示，可認(rèn)為Au原子吸附到ZGNR上各類位置的結(jié)合能計(jì)算結(jié)果是可靠的，其中Au原子吸附到T類、H類、B類位置的結(jié)合能大于吸附到A類、C類位置的結(jié)合能，說明Au原子吸附到T類、H類、B類位置即條帶表面上更容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

表1 單個(gè)Au原子吸附在ZGNR上的結(jié)合能

2.2 Aum納米結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)

Au原子隨機(jī)分布在ZGNR條帶表面約0.3 nm處，弛豫平衡后，在298 K下以退火率為10 K/ps退火至0 K,模擬時(shí)間為100 ps。進(jìn)行多次退火模擬，以便獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，計(jì)算Au原子在模擬過程中的擴(kuò)散系數(shù)，如圖2所示。

圖2 Aum納米結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)定義為

其中，

其中式（3）為速度自相關(guān)函數(shù)，表示在平均意義下分子速度隨時(shí)間的變化。從計(jì)算結(jié)果看，Au原子數(shù)目較少（<120）時(shí)，Au原子在模擬原胞里是雜亂擴(kuò)散，隨著Au原子數(shù)目增加擴(kuò)散系數(shù)越小越容易被吸附在ZGNR條帶表面。

2.3 Au納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性

首先將模擬得到的Au納米結(jié)構(gòu)剝離ZNGR，并將吸附在ZGNR表面和剝離ZGNR的Au納米結(jié)構(gòu)分別在不同溫度下進(jìn)行分子弛豫平衡模擬，模擬時(shí)間為100ps。分別計(jì)算了模擬溫度為100 K，200K，300K，…，800K時(shí)Au（=118，135，180，300，360，586）納米結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)g()，這些結(jié)構(gòu)的g()分布規(guī)律基本一致，如圖3所示。徑向分布函數(shù)的定義為：

圖3 Aum納米結(jié)構(gòu)不同溫度下的徑向分布函數(shù)

從圖3中(a)、(b)、(c)圖可以看出，在溫度100 K～300 K范圍內(nèi)，Au的徑向分布函數(shù)具有共同的特點(diǎn)，其峰值依次分布在0.280 nm，0.395 nm，0.485 nm，0.560 nm處等，明顯清晰，表現(xiàn)出很好的規(guī)則性，長(zhǎng)程有序。當(dāng)模擬溫度為400 K～600 K時(shí)，如圖3中(d)、(e)、(f)圖所示，Au的徑向分布函數(shù)g()出現(xiàn)一個(gè)位于0.280 nm處的尖銳的孤立峰和許多峰值遠(yuǎn)小于第一峰并且分布平展的長(zhǎng)程峰，Au呈現(xiàn)出無序化結(jié)構(gòu)。隨著溫度繼續(xù)升高，如圖3中(g)、(h)圖，Au結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)g()只具有短程的峰，第一峰值逐漸減小，并且出現(xiàn)的位置范圍有細(xì)微的后移，第二峰值逐漸消失，第三峰值及其它峰值變得更加平緩，Au結(jié)構(gòu)的無序化程度加深，意味著開始出現(xiàn)熔化。

圖4 Aum納米結(jié)構(gòu)的平均Lindemann指數(shù)

3 小結(jié)

[1]NOVOSELOV K S,GEIM A K,MOROZOV S V,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J]. Science, 2004, 306: 666-669.

[2]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(bào),2008,57(7):4356-4363.

[3]李愛華,朱湘萍,尹鑫桃.基于鋸齒型graphene條帶的金納米結(jié)構(gòu)[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2017,38(10):26-28.

[4]TERSOFF J.New empirical approach for the structure and energy of covalent systems[J]. Phys. Rev. B, 1988, 37(12): 6991-7000.

[5]CLERI F, ROSATO V. Rosato.Tight-binding potentials for transition metals and alloys[J].Phys.Rev, 1993,48(1):22-33.

[6]ROSATO V, GUILLOPE M, LEGRAND B. Thermodynamical and structural properties of f.c.c.transition metals using a simple tight-binding model[J].Philosophical Magazine A,1989, 59(2): 321-336.

[7]ZHOU Y Q, KARPLUS M, BALL K D, et al. The distance fluctuation criterion for melting: Comparison of square-well and morse potential models for clusters and homopolymers[J]. J. Chem. Phys,2002,116(5):2323-2329.

O552；0791

A

1673-2219（2021）05-0018-03

2021-07-16

2015年湖南科技學(xué)院科研項(xiàng)目（2015XKY 013）。

李愛華（1981－），女，湖南永州人，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算物理與低維凝聚態(tài)物理。

（責(zé)任編校：文春生）