氬團(tuán)簇填充到雙層石墨烯的分子動(dòng)力學(xué)模擬

崔樹穩(wěn) 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(yīng)用。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了雙層石墨烯不同層間距（）對其內(nèi)氬團(tuán)簇構(gòu)型的影響。發(fā)現(xiàn)在受限二維空間內(nèi)，層間距離的大小對氬團(tuán)簇的構(gòu)型有很大的的影響：當(dāng)=7和8時(shí)，形成單層的結(jié)構(gòu)， 當(dāng)= 9～11時(shí)，形成雙層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)=13時(shí)，形成三層的結(jié)構(gòu)， 當(dāng)=15時(shí)，出現(xiàn)了四層結(jié)構(gòu)。本研究可為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)合材料的制備提供一定的理論支撐。

關(guān)鍵詞：石墨烯;填充;團(tuán)簇;分子模擬

中圖分類號：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)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(yōu)越的電子性能和機(jī)械性能等特點(diǎn)， 可用于超級電容器、光催化、納米薄膜等，具有廣泛的應(yīng)用。雙層石墨烯具有納米尺度的層間距，且層間距具有可調(diào)節(jié)性等優(yōu)點(diǎn)，對填充其內(nèi)的物質(zhì)的平衡結(jié)構(gòu)（構(gòu)型）有很大的影響。Algara-Siller等和Nair等發(fā)現(xiàn)了在石墨烯狹縫孔中，水可以形成“方形冰”結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法很難直接觀測到如此小的受限空間內(nèi)分子行為，分子模擬成為研究受限性質(zhì)的有效方法。趙夢堯等人采用分子模擬方法研究了原態(tài)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(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了不同間距納米狹縫之間水的流動(dòng)行為。受到上面研究結(jié)果的啟發(fā)，我們希望進(jìn)一步研究雙層石墨烯不同層間距（）對其內(nèi)團(tuán)簇構(gòu)型的影響，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了氬團(tuán)簇在層間距（）為5～15的雙層石墨烯層間的構(gòu)型。通過本文的研究，可以進(jìn)一步幫助人們認(rèn)識限域環(huán)境對團(tuán)簇構(gòu)型的影響，為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)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(gè)原子，豎軸方向上真空層的厚度設(shè)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(yīng)的氬團(tuán)簇原子數(shù)目從8～193。分子動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化，降低初始模型的能量，對優(yōu)化后的初始體系在溫度為20K下，進(jìn)行NVT分子動(dòng)力學(xué)馳豫，模擬中采用Compass力場，初始速度從Boltzmann隨機(jī)分布中選取，溫度采用Berendsen提出的方法進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)方程采用Velocity-Verlet方法積分求解，時(shí)間步長為1fs。

2 結(jié)果與討論

對于模擬體系，表1給出了平衡時(shí)，不同層間距下雙層石墨烯間填充的氬原子個(gè)數(shù)和平衡構(gòu)型的層數(shù)。

為了便于比較，給出了體系在=9、13和15平衡構(gòu)型的側(cè)面圖，如圖1所示。

從表1和圖1可以看出，當(dāng)層間距為5和6時(shí)，氬原子不能進(jìn)入雙層石墨烯中。隨著層間距的增大，層間氬原子數(shù)目增加，氬原子需更長的時(shí)間才能達(dá)到平衡構(gòu)型。層內(nèi)氬團(tuán)簇形成明顯的層狀結(jié)構(gòu)，并且在石墨烯狹縫內(nèi)氬原子以平行于石墨烯表面的形式存在，當(dāng)=7和8時(shí)，形成單層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)=9～11時(shí)，形成雙層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)=13時(shí)，形成三層的結(jié)構(gòu)，接近石墨烯表面的兩層原子最多，中間層氬原子數(shù)減少，當(dāng)=15時(shí)，出現(xiàn)了四層結(jié)構(gòu)，與=13時(shí)構(gòu)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(xiàn)象可以歸因于：石墨烯壁和氬原子強(qiáng)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(yīng)”。不同層間距，對氬團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)存在一定的影響。

3 結(jié)語

本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了雙層石墨烯不同層間距（）對其內(nèi)團(tuán)簇構(gòu)型的影響。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)層間距大于6時(shí)，氬原子才能進(jìn)入雙層石墨烯中，雙層石墨烯層內(nèi)氬團(tuán)簇形成明顯的層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)=7和8時(shí)，形成單層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)=9～11時(shí)，形成雙層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)=13時(shí)，形成三層的結(jié)構(gòu)，隨著層間距的增大，構(gòu)型的層數(shù)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?？梢越频贸?，當(dāng)層間距足夠大時(shí)，層間團(tuán)簇構(gòu)型將會與體相沒有區(qū)別。本研究可為石墨烯的應(yīng)用及新型碳基插層復(fù)合材料的制備提供一定的理論支撐。

參考文獻(xiàn)

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