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。首先計算了單個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)；其次計算了Au納米結(jié)構(gòu)的擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)Au原子數(shù)目越大擴散系數(shù)越小越易被吸附在ZGNR條帶表面；最后計算了不同溫度下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；分子動力學(xué)模擬

Graphene[1]是碳原子分布在二維蜂巢晶格點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)。分子動力學(xué)模擬研究表明，隨機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)上采用分子動力學(xué)方法繼續(xù)研究Au原子吸附在ZGNR上的結(jié)合能、擴散系數(shù)及其納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。

1 分子動力學(xué)模擬的勢函數(shù)和參數(shù)

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

2 計算模擬結(jié)果與分析

2.1 單個Au原子吸附在ZGNR的結(jié)合能

隨機放入一個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下弛豫使體系達到平衡狀態(tài)。這里考慮幾類比較特殊的吸附位置計算結(jié)合能，如圖1所示，A類位置為ZGNR帶邊鋸齒頂端點，C類位置為ZGNR帶邊鋸齒谷底點，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)合能的計算結(jié)果更合理，選取單個Au原子吸附在ZGNR同類位置的不同點重復(fù)模擬數(shù)次，取其平均值計算出單個Au原子吸附在ZGNR條帶各類位置的結(jié)合能。結(jié)合能的計算公式為：

式(1)中，ZGNR是ZGNR單獨存在時的總能量，Au是單個Au原子單獨存在時的能量，Au+ZGNR是單個Au原子和ZGNR組成復(fù)合體系后的總能量。根據(jù)式(1)所得出的計算結(jié)果與采用第一性原理計算的結(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Au原子吸附在ZGNR上的結(jié)合能

2.2 Aum納米結(jié)構(gòu)的擴散系數(shù)

Au原子隨機分布在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,模擬時間為100 ps。進行多次退火模擬，以便獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，計算Au原子在模擬過程中的擴散系數(shù)，如圖2所示。

圖2 Aum納米結(jié)構(gòu)的擴散系數(shù)

擴散系數(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間的變化。從計算結(jié)果看，Au原子數(shù)目較少（<120）時，Au原子在模擬原胞里是雜亂擴散，隨著Au原子數(shù)目增加擴散系數(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行分子弛豫平衡模擬，模擬時間為100ps。分別計算了模擬溫度為100 K，200K，300K，…，800K時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，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，長程有序。當(dāng)模擬溫度為400 K～600 K時，如圖3中(d)、(e)、(f)圖所示，Au的徑向分布函數(shù)g()出現(xiàn)一個位于0.280 nm處的尖銳的孤立峰和許多峰值遠小于第一峰并且分布平展的長程峰，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)

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O552；0791

A

1673-2219（2021）05-0018-03

2021-07-16

2015年湖南科技學(xué)院科研項目（2015XKY 013）。

李愛華（1981－），女，湖南永州人，講師，碩士，研究方向為計算物理與低維凝聚態(tài)物理。

（責(zé)任編校：文春生）