CN112863608B - 一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，该方法采用建模软件构建公度接触的二维双层同质结模型，进行不同角度的扭转，提取出所形成的摩尔纹结构单胞，将其转换为分子动力学模拟软件可识别的模型；选取能反映二维双层同质结所有原子之间相互作用力的势函数；设定模拟系综、边界条件及分子动力学模拟参数；在设定模拟系综和边界条件下对所有提取的单胞分别进行结构优化，使结构达到能量最低点；通过分子动力学模拟，计算并输出不同摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数，拟合得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系。
Description
技术领域
本发明涉及计算分子技术领域，具体而言，涉及一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法。
背景技术
二维材料因其较高的比表面以及特殊的物理效应，如界面效应、量子效应、尺寸效应和量子隧道效应，使得宏观摩擦规律不再适用，研究并建立二维材料的摩擦学规律，对于二维材料在纳米器件中的应用十分重要。
二维同质结相对扭转一定角度后，由于晶格失配产生摩尔纹结构，摩尔纹的形成会改变二维材料原有的电荷分布；原子结构和电荷分布的变化使得二维同质结展现出独特的性能，如石墨烯魔角：1.1°扭转角激发了石墨烯的常温超导特性。鉴于此，研究二维同质结层间摩擦学规律，对二维同质结材料在纳米器件领域的应用和精确设计必要且重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)通过建模软件建立公度接触的二维双层同质结模型；转动二维双层同质结模型的其中一层，形成不同扭转角度的非公度接触同质结模型；分别提取不同扭转角度形成的摩尔纹结构的摩尔超晶胞(即单胞)，并将其转换为分子动力学模拟软件可识别的模型；
2)选取能够反映所述二维双层同质结模型中所有原子之间相互作用力的势函数；
3)设定模拟系综、边界条件以及分子动力学模拟参数；
模拟系综：选择正则系综进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法调节体系温度，初始温度为0K；
边界条件：边界在X-Y平面为周期性边界，Z轴方向为非周期性边界；
分子动力学模拟参数：固定双层石墨炔模型的底层，施加0.2nN/atom载荷到上层材料的每个原子上，并在上层材料之上添加其复制层为拖拽层，拖拽层与上层材料之间以弹簧相连，拖拽层与二维双层同质结无相互作用弛豫过程拖拽层不移动，滑动开始则拖拽层以
的速度带动上层材料，使上层材料在底层材料上进行沿X方向滑动；
4)在设定的模拟系综和边界条件下，对提取的所有摩尔超晶胞分别进行结构优化，使所有摩尔超晶胞的结构达到能量最低点；
5)在设定的模拟系综和边界条件下，根据设定的分子动力学模拟参数，采用分子动力学模拟软件模拟摩尔超晶胞的层间相对滑动，计算并输出不同摩尔纹尺寸摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数，并拟合得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系；
6)根据步骤5)获得的数值关系，预测摩擦系数。
进一步地，所述建模软件为LAMMPS内部建模工具或者Materials Studio；
所述分子动力学模拟软件采用LAMMPS。
进一步地，步骤1)具体为：通过建模软件Materials Studio建立公度接触的二维双层同质结模型，并通过编程使二维双层同质结模型的上层以其结构中心为原点，以Z轴为旋转轴，沿X-Y平面依次扭转，同时提取不同扭转角度形成的摩尔纹结构的摩尔超晶胞，并将其转换为LAMMPS可识别的模型；
其中，X-Y平面与上层所在平面平行，Z轴与上层所在平面垂直；
所述扭转角度的范围根据摩尔超晶胞结构的对称性确定。
进一步地，所述二维双层同质结为双层石墨炔。
进一步地，步骤1)中，由于双层石墨炔的摩尔超晶胞结构为正六边形，因此所述扭转角度为1°～59°，步长为1°。
进一步地，步骤2)具体为：选取AIREBO势函数描述二维双层同质结中所有碳原子之间的相互作用，具体形式为：
其中，
为Reactive Empirical Bond Order势能项，描述碳原子之间的短程相互作用；
为Lennard Jones potential势能项，描述碳原子之间的长程相互作用；
为四体势，描述构型中的各种二面角作用；i、j、k、l分别表示摩尔超晶胞中任意原子的原子序数，但互不相等；最小截断距离为
最大截断距离为
进一步地，步骤5)具体为：
在设定的模拟系综和边界条件下，根据设定的分子动力学模拟参数，首先对摩尔超晶胞上层施加载荷，再进行弛豫，达到稳定状态后，再模拟摩尔超晶胞在一定载荷下的层间沿X方向相对滑动，计算并输出不同摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数；以摩尔纹尺寸(即摩尔超晶胞模型尺寸)为自变量，层间摩擦系数为因变量，通过最小二乘法拟合得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系。
进一步地，步骤5)中，载荷为0.2nN/atom；
本发明的优点是：
使用本发明方法可以得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系。根据此数值关系，我们可以对二维同质结材料的层间摩擦系数精准调控，为二维同质结材料在纳米器件中的应用提供理论依据，有利于二维同质结材料在纳米器件领域的应用发展。
附图说明
图1为双层石墨炔相对扭转后形成的摩尔纹结构；
图2为图1中转正后的摩尔纹单胞；
图3为分子动力学模拟模型示意图；
图4为1°～59°扭转角度下双层石墨炔层间摩擦系数分布及摩擦系数与摩尔纹尺寸关系的拟合结果。
具体实施方式
以下以石墨炔为例，结合附图对本发明的内容作进一步的详细描述。
基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，包括以下步骤：
1)通过建模软件Materials Studio建立公度接触的双层石墨炔模型(参见图1)；定义X-Y平面与上层所在平面平行，Z轴与上层所在平面垂直，通过编程使模型的上层石墨炔以其结构中心为原点，以Z轴为旋转轴，沿X-Y平面相对于下层，以步长1°的速度依次扭转1°～59°，同时提取不同扭转角度形成的摩尔纹结构的摩尔超晶胞，即单胞(转正后的单胞参见图2)，并将其转换为分子动力学模拟软件LAMMPS可识别的模型数据。
2)选取AIREBO势函数描述双层石墨炔所有碳原子之间的相互作用，具体形式为：
其中，
为Reactive Empirical Bond Order(REBO)势能项，描述了碳原子之间的短程相互作用；
为Lennard Jones potential(LJ)势能项，描述了碳原子之间的长程相互作用；
为四体势，描述了构型中的各种二面角作用；i、j、k、l分别表示摩尔超晶胞中任意原子的原子序数，但互不相等；最小截断距离为
最大截断距离为
3)设定模拟系综、边界条件以及分子动力学模拟参数；
模拟系综：选择正则系综进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法调节体系温度，初始温度为0K；
边界条件：边界在X-Y平面为周期性边界，Z轴方向为非周期性边界；
分子动力学模拟参数：固定双层石墨炔模型的底层，施加0.2nN/atom载荷到上层材料的每个原子上，并在上层材料之上添加其复制层为拖拽层，拖拽层与上层材料之间以弹簧相连，拖拽层与二维双层同质结无相互作用弛豫过程拖拽层不移动，滑动开始则拖拽层以
的速度带动上层材料，使上层材料在底层材料上进行沿X方向滑动，参见图3。
4)在设定的模拟系综和边界条件下对所有提取的石墨炔摩尔超晶胞分别进行结构优化，使所有石墨炔摩尔超晶胞结构达到能量最低点。
5)在设定的模拟系综和边界条件下，根据设定的分子动力学模拟参数，首先对石墨炔摩尔超晶胞上层施加0.2nN/atom载荷，再进行弛豫，达到稳定状态后，再模拟石墨炔摩尔超晶胞在0.2nN/atom载荷下的沿X方向层间相对滑动，计算并输出不同摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数，以摩尔纹尺寸(摩尔超晶胞模型尺寸)为x，层间摩擦系数为y，通过最小二乘法拟合得到同质结摩尔纹尺寸x与层间摩擦系数y的数值关系，如图4所示：摩尔纹尺寸小于
时，摩擦系数随着摩尔纹尺寸增加迅速减小；当摩尔纹尺寸大于
时，摩擦系数随着摩尔纹尺寸增加缓慢减小，具体参见图4中的拟合曲线，拟合公式为：
y＝78.17x-3.54
其中，摩尔纹尺寸与摩擦系数之间的关联系数(adj-R2)大于0.95，意味着摩尔纹尺寸与层间摩擦系数之间有着强烈的相关性；
6)根据拟合得到的公式预测不同摩尔纹尺寸的层间摩擦系数(即界面摩擦系数)，为同质结界面摩擦调控提供了一种通用的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过建模软件建立公度接触的二维双层同质结模型；转动二维双层同质结模型的其中一层，形成不同扭转角度的非公度接触同质结模型；分别提取不同扭转角度形成的摩尔纹结构的摩尔超晶胞，并将其转换为分子动力学模拟软件可识别的模型；
2)选取能够反映所述二维双层同质结模型中所有原子之间相互作用力的势函数；
3)设定模拟系综、边界条件以及分子动力学模拟参数；
模拟系综：选择正则系综进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法调节体系温度，初始温度为0K；
边界条件：边界在X-Y平面为周期性边界，Z轴方向为非周期性边界；
分子动力学模拟参数：固定双层石墨炔模型的底层，施加0.2nN/atom载荷到上层材料的每个原子上，并在上层材料之上添加其复制层为拖拽层，拖拽层与上层材料之间以弹簧相连，拖拽层与二维双层同质结无相互作用弛豫过程拖拽层不移动，滑动开始则拖拽层以
的速度带动上层材料，使上层材料在底层材料上进行沿X方向滑动；
4)在设定的模拟系综和边界条件下，对提取的所有摩尔超晶胞分别进行结构优化，使所有摩尔超晶胞的结构达到能量最低点；
5)在设定的模拟系综和边界条件下，根据设定的分子动力学模拟参数，采用分子动力学模拟软件模拟摩尔超晶胞的层间相对滑动，计算并输出不同摩尔纹尺寸摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数，并拟合得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系；
6)根据步骤5)获得的数值关系，预测摩擦系数。
2.根据权利要求1所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于：
所述建模软件为LAMMPS内部建模工具或者Materials Studio；
所述分子动力学模拟软件采用LAMMPS。
3.根据权利要求2所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于，步骤1)具体为：
通过建模软件Materials Studio建立公度接触的二维双层同质结模型，并使二维双层同质结模型的上层以其结构中心为原点，以Z轴为旋转轴，沿X-Y平面依次扭转，同时提取不同扭转角度形成的摩尔纹结构的摩尔超晶胞，并将其转换为LAMMPS可识别的模型；
其中，X-Y平面与上层所在平面平行，Z轴与上层所在平面垂直；
所述扭转角度的范围根据摩尔超晶胞结构的对称性确定。
4.根据权利要求3所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于：
所述二维双层同质结为双层石墨炔。
5.根据权利要求4所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于：
步骤1)中，所述扭转角度为1°～59°，步长为1°。
6.根据权利要求5所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于，步骤2)具体为：
选取AIREBO势函数描述二维双层同质结中所有碳原子之间的相互作用，具体形式为：
其中，
为Reactive Empirical Bond Order势能项，描述碳原子之间的短程相互作用；
为Lennard Jones potential势能项，描述碳原子之间的长程相互作用；
为四体势，描述构型中的各种二面角作用；i、j、k、l分别表示摩尔超晶胞中任意原子的原子序数，但互不相等；最小截断距离为
最大截断距离为
7.根据权利要求6所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于，步骤5)具体为：
在设定的模拟系综和边界条件下，根据设定的分子动力学模拟参数，首先对摩尔超晶胞上层施加载荷，再进行弛豫，达到稳定状态后，再模拟摩尔超晶胞在一定载荷下沿X方向层间相对滑动，计算并输出不同摩尔超晶胞层间滑动的摩擦系数；以摩尔纹尺寸为自变量，层间摩擦系数为因变量，通过最小二乘法拟合得到同质结摩尔纹尺寸与层间摩擦系数的数值关系。
8.根据权利要求7所述基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法，其特征在于：
步骤5)中，载荷为0.2nN/atom。
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