CN111414693B - 一种基于分子动力学的异质结材料界面结合能测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分子动力学的异质结材料界面结合能测量方法，包括以下步骤：1)基于分子动力学仿真软件Materials Studio建立异质结材料鼓泡法模型；2)使用基于分子动力学仿真软件Lammps对异质结鼓泡模型进行分子动力学仿真模拟；3)观察异质结界面在探针作用下从开始鼓泡直至脱粘，以此观察鼓泡过程的发生机理，并测量鼓泡过程中鼓泡半径和鼓泡挠度；4)分析鼓泡半径、鼓泡挠度和加载力之间的相互关系，得到鼓泡过程的界面特性，在稳定撕脱阶段鼓泡半径与鼓泡挠度呈线性关系，鼓泡挠度和加载力也呈线性关系；5)基于以上得到的相关数据，并通过相关理论计算得到异质结材料的界面能W。
Description
技术领域
本发明涉及一种从微观对异质结材料的界面能进行测量的技术，特别是一种基于分子动力学的异质结材料界面结合能测量方法，属于材料界面效应领域。
背景技术
MoS2/石墨烯异质结构结合了单层MoS2和石墨烯纳米片的优点。在MoS2/ 石墨烯异质结构中，石墨烯可以保护MoS2免受辐射损伤，同时石墨烯的高导热性可以帮助电子晶体管器件散热。更重要的是，在这些重要的结构中还发现了更好的光子吸收和电子空穴的产生，以及增强的光与物质的相互作用。目前，石墨烯与二硫化钼异质结构的研究已成为热点之一，具有广泛的应用前景。在所有这些应用中，异质结构的界面性质是了解材料性质的关键。了解石墨烯/二硫化钼异质结构的界面性能，将对制备异质结构及其在未来工作中的应用提供富有成效的作用。特别是界面结合能在材料性能中起着非常重要的作用，它对材料的设计和制造具有重要的指导意义。但是目前对于异质结界面能的没有一个可靠地测量方法。
通常，测量各种结构的粘聚能有几种常规的试验方法，即剥落试验、压痕试验、弯曲试验等。在这些方法中，鼓泡法SLBT可以避免塑性变形消耗大部分的能量耗散，使小的附着功得以量化。上述研究方法都是建立在宏观尺度上的，对于SLBT方法是否可以适用于测量异质结界面能需要给出一种可靠地依据。采用分子动力学模拟可以实现在微观上探究鼓泡法测量异质结界面能，从而为我们进行相关实验奠定基础，为相关材料的应用开发提供科学依据。
发明内容
为了研究纳米尺度下异质结的界面能，采用分子动力学理论及仿真计算方法研究利用鼓泡法检测异质结的界面能，即通过构建石墨烯和MoS2的双层界面并完成组装，对界面脱粘性质进行分子动力学仿真，利用模拟过程中的特征参数实现对异质结界面能的精确测量与评价。
本发明采用的技术方案是：一种基于分子动力学的异质结材料界面结合能测量方法，包括以下步骤：
步骤1)基于分子动力学仿真软件Materials Studio建立异质结材料鼓泡法模型，首先在建模环境中建立了异质结材料以及探针，先建立异质结材料，异质结材料的结构为：石墨烯为上层、MoS2为下层，并在MoS2层预制一个圆形孔洞，然后将探针放置于圆形孔洞正下方；将模型导入分子动力学仿真软件 Lammps前，将模型导出为PDB文件，并用可视化软件VMD打开，修饰之后导出为Lammps可以读取的data文件；
步骤2)使用基于分子动力学仿真软件Lammps对异质结鼓泡模型进行分子动力学仿真模拟，首先书写in文件建立模拟过程，设置边界条件为x,y,z方向为非周期边界条件，碳钼以及硫的原子质量，采用TERSOFF势函数描述石墨烯碳原子之间的相互作用，Stillinger-Weber势函数描述二硫化钼的原子间相互作用，以及Lennard-Jones势函数表征石墨烯和二硫化钼界面的原子间相互作用和探针与异质结的原子间相互作用；采用NVT系综进行弛豫，接着进行鼓泡过程，并输出模拟过程的原子位置信息和热力学信息，分别保存在dump文件和log文件当中；
步骤3)采用VMD软件对仿真结果进行图像处理，将dump文件导入VMD 当中，对异质结鼓泡模型仿真模拟过程中的原子轨迹进行图像化显示，观察异质结界面在探针作用下从开始鼓泡直至脱粘，以此观察鼓泡过程的发生机理，并测量鼓泡过程中鼓泡半径和鼓泡挠度；
步骤4)结合log文件中的热力学信息，分析鼓泡半径、鼓泡挠度和加载力之间的相互关系，得到鼓泡过程的界面特性，在稳定撕脱阶段鼓泡半径与鼓泡挠度呈线性关系，鼓泡挠度和加载力也呈线性关系；
步骤5)基于以上得到的相关数据，并通过相关理论计算得到异质结材料的界面能W，其计算方式为：
式中，E为石墨烯弹性模量，h为单层石墨烯厚度，W为鼓泡挠度，a为鼓泡半径。
进一步的，步骤2)中TERSOFF势函数是用于描述石墨烯碳原子半导体材料中的原子间的相互作用，其具体形式为：
其中
Vij＝fC(rij)[fR(rij)+bijfA(rij)] 式2
以上所述E为体系的总能量，Vij为原子间的成键能量，fa和fr分别为对势的吸引项和排斥项，fc为光滑截断函数，bij为吸引势函数，rij为原子间间距。
进一步的，步骤2)中Stillinger-Weber用来描述MoS2原子间的相互作用，其具体形式为：
式中V2表示二体作用，V3表示三体作用，其计算方法为：
其中
其中B与非线性力学行为有关，是二体项中的参数；d是实验得到的平衡键长；rmax，rmax 12和rmax 13是由材料的结构决定的截止距离；Kr和Kθ是两个价力场valence-forcefield参数；d1和d2是三体角度-弯曲相互作用中具有角度的臂的两个结合键长；θ0由这两个键决定,它们都是三体角度-弯曲相互作用的结果；参数是ρ二体项中的参数；ρ1和ρ2是三体项中的参数，A和K是基于价力场模型的两个能量参数。
进一步的，步骤2)中Lennard-Jones势函数描述界面材料原子之间的相互作用，其具体形式为：
E＝4ε[(σ/r)12-(σ/r)6] 式10
其中ε是势井深度，反应两个原子间相互吸引作用的强弱；σ是作用势等于0时原子间的距离；r是原子间间距。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比，具有下列优点：首次创造性提出了利用分子动力学进行鼓泡法模拟。现有的界面能检测方法只能探测宏观尺度下界面能，不适用于纳米级界面检测。该方法能够精确检测纳米尺度界面能。利用分子动力学模拟，利用原子间的范德华作用，成功完成了异质结鼓泡法的仿真，证明了通过纳米尺度鼓泡法测量界面能的可行性，揭露了通过该方法实现界面检测的微观机理，为该方法的实际应用提供理论基础和指导。该方案操作简单，容易实施，检测精度高，并且异质结材料制备技术发展成熟。
附图说明
图1是本发明中采用MS软件建立的异质结鼓泡模型。
图2是本发明中对异质结模型进行加载的鼓泡过程。
图3是本发明中加载过程中挠度-鼓泡半径曲线。
图4是本发明中加载过程中加载力-挠度曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
步骤一、基于分子动力学仿真软件Materials Studio建立了异质结材料鼓泡法模型，如图1所示。首先在建模环境中建立了异质结材料以及探针，首先建立异质结材料，异质结材料为石墨烯为上层、MoS2为下层，且层间距为4A，并在 MoS2层预制一个圆形孔洞，然后将探针放置于圆孔正下方。石墨烯尺寸为
的矩形，MoS2尺寸为
的矩形，孔洞半径为R＝7A，加载方向如图2。将模型导入分子动力学仿真软件Lammps前，将模型导出为PDB文件，并用可视化软件VMD打开，修饰之后导出为Lammps可以读取的data文件。
步骤二、使用基于分子动力学仿真软件Lammps对异质结鼓泡模型进行分子动力学仿真模拟，首先书写in文件建立模拟过程，设置边界条件为x,y,z方向为非周期边界条件，碳钼以及硫的原子质量，采用TERSOFF势函数描述石墨烯碳原子之间的相互作用，Stillinger-Weber势函数描述二硫化钼的原子间相互作用，以及Lennard-Jones势函数表征石墨烯和二硫化钼界面的原子间相互作用和探针与异质结的原子间相互作用。采用NVT系综进行弛豫，接着进行鼓泡过程，并输出模拟过程的原子位置信息和热力学信息，分别保存在dump文件和log文件当中；
TERSOFF势函数是用于描述石墨烯碳原子半导体材料中的原子间的相互作用，其具体形式为：
其中
Vij＝fC(rij)[fR(rij)+bijfA(rij)] 式2
以上所述E为体系的总能量，Vij为原子间的成键能量，fa和fr分别为对势的吸引项和排斥项，fc为光滑截断函数，bij为吸引势函数，rij为原子间间距；
Stillinger-Weber用来描述MoS2原子间的相互作用，其具体形式为：
式中V2表示二体作用，V3表示三体作用，其计算方法为：
其中
其中B与非线性力学行为有关，是二体项中的参数；d是实验得到的平衡键长；rmax，rmax 12和rmax 13是由材料的结构决定的截止距离；Kr和Kθ是两个价力场 valence-forcefield参数；d1和d2是三体角度-弯曲相互作用中具有角度的臂的两个结合键长；θ0由这两个键决定,它们都是三体角度-弯曲相互作用的结果；参数是ρ二体项中的参数；ρ1和ρ2是三体项中的参数，A和K是基于价力场模型的两个能量参数。
Lennard-Jones势函数描述界面材料原子之间的相互作用，其具体形式为：
E＝4ε[(σ/r)12-(σ/r)6] 式10
其中ε是势井深度，反应两个原子间相互吸引作用的强弱；σ是作用势等于0时原子间的距离；r是原子间间距。
步骤三、采用VMD软件对仿真结果进行图像处理，将dump文件导入VMD 当中，对异质结鼓泡模型仿真模拟过程中的原子轨迹进行图像化显示如图2，观察异质结界面在探针作用下从开始鼓泡直至脱粘，以此观察鼓泡过程的发生机理，并测量鼓泡过程中鼓泡半径和鼓泡挠度。
步骤四、结合log文件中的热力学信息，分析鼓泡半径、鼓泡挠度和加载力之间的相互关系，将数据导入origin作图，得到鼓泡过程的界面特性如图3、图 4所示。
步骤五)、基于以上得到的相关数据，并通过相关理论计算得到异质结材料的界面能W，其计算方式为：
式中，E为石墨烯弹性模量，h为石墨烯厚度，W为鼓泡挠度，a为鼓泡半径。计算得到MoS2/石墨烯异质结材料的界面能为157.5mJ/m2。
Claims (1)
1.一种基于分子动力学的异质结材料界面结合能测量方法，包括以下步骤：
步骤1)基于分子动力学仿真软件Materials Studio建立异质结材料鼓泡法模型，首先在建模环境中建立了异质结材料以及探针，先建立异质结材料，异质结材料的结构为：石墨烯为上层、MoS2为下层，并在MoS2层预制一个圆形孔洞，然后将探针放置于圆形孔洞正下方；将模型导入分子动力学仿真软件Lammps前，将模型导出为PDB文件，并用可视化软件VMD打开，修饰之后导出为Lammps可以读取的data文件；
步骤2)使用分子动力学仿真软件Lammps对异质结鼓泡模型进行分子动力学仿真模拟，首先书写in文件建立模拟过程，设置边界条件为x,y,z方向为非周期边界条件，碳钼以及硫的原子质量，采用TERSOFF势函数描述石墨烯碳原子之间的相互作用，Stillinger-Weber势函数描述二硫化钼的原子间相互作用，以及Lennard-Jones势函数表征石墨烯和二硫化钼界面的原子间相互作用和探针与异质结的原子间相互作用；采用NVT系综进行弛豫，接着进行鼓泡过程，并输出模拟过程的原子位置信息和热力学信息，分别保存在dump文件和log文件当中；
步骤2.1)所述TERSOFF势函数是用于描述石墨烯碳原子半导体材料中的原子间的相互作用，其具体形式为：
其中
Vij＝fC(rij)[fR(rij)+bijfA(rij)] 式2
以上所述ETersoff为体系的总能量，Vij为原子间的成键能量，fA和fR分别为对势的吸引项和排斥项，fC为光滑截断函数，bij为吸引势函数，rij为两原子原子间距；
步骤2.2)所述Stillinger-Weber势函数用来描述MoS2原子间的相互作用，其具体形式为：
式中V2表示二体作用，V3表示三体作用，其计算方法为：
其中
其中B与非线性力学行为有关，是二体项中的参数；d是实验得到的平衡键长；rmax，rmax12和rmax13是由材料的结构决定的截止距离；Kr和Kθ是两个价力场valence-force field参数；d1和d2是三体角度-弯曲相互作用中具有角度的臂的两个结合键长；θ0由这两个键决定,它们都是三体角度-弯曲相互作用的结果；参数ρ是二体项中的参数；ρ1和ρ2是三体项中的参数，A和K是基于价力场模型的两个能量参数；
步骤2.3)所述Lennard-Jones势函数描述界面材料原子之间的相互作用，其具体形式为：
ELJ＝4ε[(σ/r)12-(σ/r)6] 式10
其中ε是势井深度，反应两个原子间相互吸引作用的强弱；σ是作用势等于0时原子间的距离；r是原子间间距；
步骤3)采用VMD软件对仿真结果进行图像处理，将dump文件导入VMD当中，对异质结鼓泡模型仿真模拟过程中的原子轨迹进行图像化显示，观察异质结界面在探针作用下从开始鼓泡直至脱粘，以此观察鼓泡过程的发生机理，并测量鼓泡过程中鼓泡半径和鼓泡挠度；
步骤4)结合log文件中的热力学信息，分析鼓泡半径、鼓泡挠度和加载力之间的相互关系，得到鼓泡过程的界面特性，在稳定撕脱阶段鼓泡半径与鼓泡挠度呈线性关系，鼓泡挠度和加载力也呈线性关系；
步骤5)基于以上得到的相关数据，计算得到异质结材料的界面能W，其计算方式为：
式中，E为石墨烯的弹性模量，h为单层石墨烯的厚度，w为鼓泡挠度，a为鼓泡半径。
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