硅晶体表面石墨烯褶皱形貌的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学的方法和模拟退火技术从原子尺度分析研究了Si (100), Si (111)和Si (211)表面单原子层石墨烯的褶皱形貌及其演化特点. 研究表明, 分别置于Si晶体的三种不同原子表面的石墨烯都展现出原子尺度的褶皱形貌. 石墨烯与Si晶体表面原子的晶格失配是引起石墨烯褶皱的主要原因. 研究发现, Si晶体表面石墨烯的褶皱形貌强烈的依赖于退火温度. 石墨烯的褶皱形貌还将直接影响其在Si晶体表面的吸附稳定性. 这些研究结果有助于人们认识基于Si晶体衬底的石墨烯的结构形貌及其稳定性, 为石墨烯的进一步应用提供理论参考.     

高温及高压下液体镓的结构——第一性原理分子动力学方法研究

采用第一性原理分子动力学方法研究了高温下正常密度和高密度液体镓的结构和性质。结果与有关实验事实相符合,发现液体镓中仍残留着共价键相结合的镓分子,随着密度的增加,结构因子主峰右边逐渐发展成为一肩膀。并从能量角度讨论了液体镓结构因子中出现肩膀的物理原因。 关键词：     

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注.本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底.另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律.本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.     

液态合金NiAl凝固过程中微观结构转变的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对液态NiAl凝固过程进行了研究 ,考察了不同冷却速度下液态NiAl结构变化特点 ,原子间相互作用势采用F S多体势 ,结构分析采用键取向序和对分析技术 .计算结果表明 ,冷却速度对液态NiAl结构转变有重要影响 ,在不同的冷却速度下 ,NiAl凝固过程出现了明显不同 ,冷速为 4× 10 13 和4× 10 12 K/s时 ,NiAl快速凝固为无序的非晶体结构 ;而在较慢的 8× 10 11K/s冷速下 ,NiAl凝固为晶态结构 .给出了不同冷却速度下液态NiAl结构转变的微观信息 .     

双酚A在氧化石墨烯表面吸附的分子动力学模拟

双酚A(bisphenol A,BPA)是一种内分泌干扰物,会对机体多方面产生不良影响,包括生殖系统、神经系统、胚胎发育等.因此,在水环境中如何检测和去除BPA显得尤为重要.实验研究表明,氧化石墨烯(graphene oxide,GO)对BPA具有优异的吸附去除性能,但在分子层面的吸附机制尚不清楚.分子动力学模拟,能提供BPA在GO表面的动态吸附过程以及吸附构象等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用GROMACS分子动力学模拟软件,系统模拟了BPA在含GO的水溶液中的吸附过程,并计算了吸附自由能.结果显示:所有的BPA均被吸附在GO两侧,通过分析BPA的吸附构象以及与GO的相互作用,发现π-π疏水作用对吸附起主导作用,且显示出很好的稳定性,而静电和氢键作用增加了GO的吸附能力.通过自由能计算,BPA在GO表面的结合能达30 k J/mol,远大于水分子的5 k J/mol.这些结果进一步证实GO对BPA具有很强的吸附能力以及GO作为吸附剂在水溶液中去除BPA的可行性.     

液态Au和Ag冷却过程的分子动力学模拟

采用反映原子多体相互作用的FS势模型,通过分子动力学方法研究了贵金属Au、Ag在温度2000~300 K之间的冷却过程,考察其结构变化特点,给出了冷却过程微观结构转变的重要信息.     

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.     

不同温度条件下单层石墨烯纳米带弛豫性能的分子动力学研究

分别采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势,对三种长宽比的单层石墨烯纳米带在不同热力学温度(0.01—4000 K)下的弛豫性能进行了分子动力学模拟.对基于两种势函数模拟的石墨烯纳米带弛豫的能量曲线和表面形貌进行了分析对比,研究了石墨烯纳米带在弛豫过程中的动态平衡过程.模拟结果表明:单层石墨烯纳米带并非完美的平面结构,边缘处和内部都会呈现一定程度的起伏和皱褶,这与已有的实验结果相符合;石墨烯纳米带的表面起伏程度随长宽比的减小而减小,并且在不同温度条件下,系统动能对石墨烯纳米带的弛豫变形的影响很大,即系统温度越高,石墨烯纳米带的弛豫变形幅度愈大;高长宽比纳米带在一定温度条件下甚至会出现卷曲现象.最后,对采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势进行石墨烯的分子动力学模拟进行了深入分析.     

液态氧化铝结构的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟液态氧化铝从2663 K到过冷温度2223 K的结构变化,通过总双体分布函数得到的液态氧化铝的原子第一、第二近邻距离与Ansell研究小组的实验结果基本一致.通过配位数和偏角分布函数的分析,液态氧化铝的局域结构主要是由氧的三重铝原子配位和铝原子四重(AlO₄)和五重(AlO₅)氧原子配位组成.没有观察到可能因铝原子高、低配位数氧原子的团簇分离而出现的液-液相变.     

金属Zn液态结构变化的研究

利用ＴＢ模型给出的原子间相互作用势详细计算了不同温度下Ｚｎ的双体分布函数ｇ（ｒ），结果发现随着温度的不断降低，液态金属Ｚｎ的ｇ（ｒ）第一峰变得高而尖，第二峰由弱变强，说明了液态金属Ｚｎ的有序度随温度降低而不断增强；利用键对分析技术统计了液态金属Ｚｎ在不同温度下的键取向序参数、键对数。键取向序参数及键对数随温度的变化，进一步证明了低温液态的有序度高于高温液态，从而充分说明液态金属在不同温度下有不同的结构形式，而不像人们想象得那样杂乱无章。     

基于graphene条带的硅纳米结构

采用分子动力学模拟方法研究了graphene条带上生长硅纳米结构的过程,分析了不同温度下硅原子在graphene条带边沿生成的新型纳米结构.研究表明,随机分布的硅原子吸附到锯齿型graphene条带边沿在不同的温度T下可生成不同类型的硅纳米结构：300K≤T<2000K时形成无规则的团簇,2000K≤T≤2800K时形成单原子链结构,2800K<T<3900K时形成含缺陷的硅链结构,T≥3900K时硅原子逐渐替代条带边沿的碳原子直至graphene条带破坏.而硅原子吸附到扶手椅型graphene条带边沿在300K≤T<3000 K内仅能形成非链状的不定型的硅纳米结构. 关键词： graphene 硅 纳米结构 分子动力学模拟     

Adsorption dynamics of double-stranded DNA on a graphene oxide surface with both large unoxidized and oxidized regions

The adsorption dynamics of double-stranded DNA (dsDNA) molecules on a graphene oxide (GO) surface are important for applications of DNA/GO functional structures in biosensors, biomedicine and materials science. In this work, molecular dynamics simulations were used to examine the adsorption of different length dsDNA molecules (from 4 bp to 24 bp) on the GO surface. The dsDNA molecules could be adsorbed on the GO surface through the terminal bases and stand on the GO surface. For short dsDNA (4 bp) molecules, the double-helix structure was partially or totally broken and the adsorption dynamics was affected by the structural fluctuation of short dsDNA and the distribution of the oxidized groups on the GO surface. For long dsDNA molecules (from 8 bp to 24 bp) adsorption is stable. By nonlinear fitting of the contact angle between the axis of the dsDNA molecule and the GO surface, we found that a dsDNA molecule adsorbed on a GO surface has the chance of orienting parallel to the GO surface if the length of the dsDNA molecule is longer than 54 bp. We attributed this behavior to the flexibility of dsDNA molecules. With increasing length, the flexibility of dsDNA molecules also increases, and this increasing flexibility gives an adsorbed dsDNA molecule more chance of reaching the GO surface with the free terminal. This work provides a whole picture of adsorption of dsDNA molecules on the GO surface and should be of benefit for the design of DNA/GO based biosensors.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

Direct growth of graphene on gallium nitride by using chemical vapor deposition without extra catalyst

Graphene on gallium nitride(GaN) will be quite useful when the graphene is used as transparent electrodes to improve the performance of gallium nitride devices. In this work, we report the direct synthesis of graphene on GaN without an extra catalyst by chemical vapor deposition. Raman spectra indicate that the graphene films are uniform and about 5–6 layers in thickness. Meanwhile, the effects of growth temperatures on the growth of graphene films are systematically studied, of which 950℃ is found to be the optimum growth temperature. The sheet resistance of the grown graphene is 41.1Ω/square,which is close to the lowest sheet resistance of transferred graphene reported. The mechanism of graphene growth on GaN is proposed and discussed in detail. XRD spectra and photoluminescence spectra indicate that the quality of GaN epi-layers will not be affected after the growth of graphene.     

石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.     

Chemical potentials and phase equilibria of Lennard-Jones chain fluids

Computer simulations (molecular dynamics) were performed for ensembles of flexible tangent Lennard-Jones chains consisting of n sites (n = 1, 2, 4, 8, and 16). From these simulations, the orthobaric liquid and vapour densities were calculated not only with the traditional method of simulating a liquid film in coexistence with vapour, but also using the rigorous thermodynamic condition of satisfying the chemical potential equality between the phases in equilibrium. The agreement with literature data, as far as such exist, is excellent.     

Molecular dynamics study of temperature-dependent ripples in monolayer and bilayer graphene on 6H—SiC surfaces

Using classical molecular dynamics and a simulated annealing technique,we show that microscopic corrugations occur in monolayer and bilayer graphene on 6H-SiC substrates.From an analysis of the atomic configurations,two types of microscopic corrugations are identified,namely periodic ripples at room temperature and random ripples at high temperature.Two different kinds of ripple morphologies,each with a periodic structure,occur in the monolayer graphene due to the existence of a coincidence lattice between graphene and the SiC terminated surface(Si-or C-terminated surface).The effect of temperature on microscopic ripple morphology is shown through analysing the roughness of the graphene.A temperature-dependent multiple bonding conjugation is also shown by the broad distribution of the carbon-carbon bond length and the bond angle in the rippled graphene on the SiC surface.These results provide atomic-level information about the rippled graphene layers on the two polar faces of the 6H-SiC substrate,which is useful not only for a better understanding of the stability and structural properties of graphene,but also for the study of the electronic properties of graphene-based devices.