張　超, 潘成嶺, 盛紹頂

(多尺度材料與分子催化實(shí)驗(yàn)室, 安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 淮南 232001)

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鋸齒形單壁碳納米管的穿透能研究

張超, 潘成嶺, 盛紹頂

(多尺度材料與分子催化實(shí)驗(yàn)室, 安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 淮南 232001)

摘要基于分子動(dòng)力學(xué)方法, 研究了載能碳離子碰撞鋸齒形單壁碳納米管過程中初級(jí)碰撞原子(PKA)的運(yùn)動(dòng)過程和能量變化過程. 分析了手性指數(shù)為(2n+1,0)(n=2～9)的單壁碳納米管中PKA的穿透能與載能碳離子入射能間的關(guān)系. 結(jié)果表明, 穿透能與入射能之間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系, 線性變化的斜率與碳納米管直徑有關(guān). 通過分析PKA勢(shì)能隨模擬時(shí)間的變化規(guī)律, 闡述了初級(jí)碰撞原子的穿透能隨入射能的增加而增加的物理機(jī)制.

關(guān)鍵詞碳納米管; 分子動(dòng)力學(xué); 能量轉(zhuǎn)移; 穿透能; 碰撞

碳納米管(CNT)[1]因獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu), 在物理及化學(xué)等方面表現(xiàn)出了許多優(yōu)異性能, 從而得到了廣泛的研究[2～5]. 由于碳納米管的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于其結(jié)構(gòu), 所以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控和修飾是研究碳納米管的一個(gè)重要方向[6,7].

采用荷能粒子束輻照碳納米管是一種重要方法, 它能夠以高度可控的方式改變材料的結(jié)構(gòu)特性[8～10], 現(xiàn)已有許多研究通過粒子束輻照來(lái)改變碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能[11～15]. Terrones等[16]利用電子束輻照800 ℃交叉疊放的單壁碳納米管后, 觀察到碳納米管之間各種穩(wěn)定的連接構(gòu)型, 這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要是因?yàn)楦邷叵码娮邮椪债a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷可以促進(jìn)碳納米管之間的連接; 他們進(jìn)一步利用分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了空位和間隙原子能夠誘導(dǎo)2個(gè)碳納米管的連接. Gupta等[17]利用荷能粒子束對(duì)碳納米管進(jìn)行輻照后發(fā)現(xiàn), 輻照時(shí)間延長(zhǎng)可以明顯增強(qiáng)單壁碳納米管的導(dǎo)電性, 但對(duì)于多壁碳納米管導(dǎo)電性的影響并不明顯. Tolvanen等[18]通過低溫掃描隧道顯微鏡并結(jié)合密度泛函理論方法, 研究了單壁碳納米管受氬離子束輻照后電子結(jié)構(gòu)的變化, 該結(jié)果對(duì)于以碳納米管為基礎(chǔ)的光電子器件具有潛在的應(yīng)用價(jià)值. Zhao等[19]分別利用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)分子動(dòng)力學(xué)與第一性原理方法研究了低能離子輻照單壁碳納米管過程中點(diǎn)缺陷的形成機(jī)制, 結(jié)果表明, 碰撞后入射離子與碳納米管之間形成的化學(xué)鍵能夠降低輻照閾值, 從而增強(qiáng)碳納米管的輻照損傷. 這些結(jié)果對(duì)碳納米管的材料改性, 以及對(duì)以碳納米管為基礎(chǔ)的電子器件的應(yīng)用等方面具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值. 本課題組[20～22]曾根據(jù)碳納米管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 在納米管的表面分別選取不同的碰撞點(diǎn), 采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了碳納米管中缺陷形成的入射閾能和幾率分布情況. 通過對(duì)碰撞過程中原子結(jié)構(gòu)的演化行為進(jìn)行觀察, 分析了典型缺陷的形成過程. 該研究對(duì)于了解碳納米管中缺陷的形成機(jī)制, 操控碳納米管中的缺陷使其向有利于工程應(yīng)用方面的發(fā)展將有重要作用.

本文基于分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)研究了載能碳離子碰撞手性指數(shù)為(2n+1,0)(n=2～9)的單壁碳納米管(CNT), 考察了初級(jí)碰撞原子(PKA)穿透碳納米管后表面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 穿透能與入射能間的關(guān)系, 穿透能與碳納米管曲率半徑間的關(guān)系, 并分析了該過程的物理機(jī)制.

1計(jì)算模型與方法

1.1初始結(jié)構(gòu)

以手性指數(shù)為(2n+1,0)(n=2～9), 直徑為0.39～1.49 nm, 原子數(shù)為120～456,z軸方向長(zhǎng)度約為2.60 nm的鋸齒形單壁碳納米管為研究對(duì)象, 具體參數(shù)列于表1. 此外, 為了闡釋當(dāng)單壁碳納米管手性指數(shù)為(2n,0)(n∈整數(shù), 且n≥3)時(shí), 高能離子碰撞后, 碳納米管中PKA難以穿透碳納米管后壁, 研究了能量為1 keV的載能碳離子轟擊(8,0)單壁碳納米管的動(dòng)力學(xué)過程.

采用共軛梯度法對(duì)碳納米管模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 并在優(yōu)化后的碳納米管中間部分選擇初級(jí)碰撞原子. 入射碳原子初始位置設(shè)置在PKA正上方且距離碳納米管表面1.50 nm, 以避免初始階段與碳納米管發(fā)生相互作用.

1.2原子間勢(shì)函數(shù)

(1)

(2)

(3)

式中: θi, θj, θk及rij, rjk, rik分別表示由i,j和k粒子組成的三角形的3個(gè)角和3條邊.Z,p,h,b

和qn(n=1～5)分別為三體和兩體部分參數(shù). 這些參數(shù)均通過對(duì)碳團(tuán)簇、 石墨及金剛石的鍵長(zhǎng)、 鍵能、 彈性常數(shù)、 晶格結(jié)合能和晶格常數(shù)擬合得到, 具體參數(shù)見表2.

(4)

式中:ε為勢(shì)阱深度, 表示2個(gè)原子間相互作用的強(qiáng)弱;σ表示兩原子間作用勢(shì)為0時(shí)原子間的距離. 對(duì)于碳原子體系,ε和σ分別取為2.86×10-3eV和0.24 nm.

1.3模擬細(xì)節(jié)

由于入射能量較低, 在碰撞過程中核阻止過程將占據(jù)主導(dǎo)地位, 所以電子阻止對(duì)碰撞過程的影響可忽略不計(jì)[10,13]. 為了與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 本文所指的入射碳原子統(tǒng)稱為入射碳離子, 因?yàn)榈碗姾蓱B(tài)對(duì)碰撞過程的影響可以忽略, 所以這種稱謂是合理的[10,13]. 此外, 本文采用VMD[30]可視化軟件觀察原子結(jié)構(gòu)的演化過程, 原子間成鍵距離設(shè)定為0.18 nm. 同時(shí)采用電荷自洽的密度泛函緊束縛方法[31]計(jì)算了碳納米管的電荷密度, 以觀察原子中電荷的空間分布.

2結(jié)果與討論

2.1載能碳離子碰撞(8,0)單壁碳納米管的動(dòng)力學(xué)過程

圖1給出了初始能量為1 keV載能碳離子轟擊(8,0)單壁碳納米管的動(dòng)力學(xué)過程. 從圖1可見, 隨著演化進(jìn)行, 入射離子逐漸靠近碳納米管并碰撞PKA, 當(dāng)模擬時(shí)間t=11 fs時(shí), PKA受到入射離子的碰撞而離開原來(lái)位置. 隨后, PKA逐漸靠近后壁, 并與后壁的次級(jí)碰撞原子(SKA)發(fā)生對(duì)心碰撞. 當(dāng)t=15 fs時(shí), SKA受到PKA的碰撞而離開了原來(lái)位置. 由t=10000 fs的最后演化構(gòu)型圖可以看出, 碳納米管前壁由于少了一個(gè)原子, 最終演化成為5-1DB缺陷構(gòu)型[32]; 碳納米管后壁SKA位置被PKA所占據(jù), 從而后壁變?yōu)橥昝赖慕Y(jié)構(gòu). 從圖1還可見, 入射碳離子碰撞碳納米管后自身受到斥力作用而反彈.

2.2載能碳離子碰撞(2n+1,0)(n=2～9)單壁碳納米管的動(dòng)力學(xué)過程

通過對(duì)(9,0)單壁碳納米管的計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn), 當(dāng)載能碳離子入射能20.0 eV≤Ein<40.0 eV時(shí), 碰撞后PKA能夠快速離開原來(lái)位置, 運(yùn)行至碳納米管后表面, 并與后表面原子發(fā)生非對(duì)心碰撞, 擠壓后表面原子使其成為間隙原子, 而自身逐漸占據(jù)晶格格點(diǎn)位置, 這表明PKA從碰撞過程中獲得的能量能夠克服移位勢(shì)壘而離開原來(lái)位置, 但不足以克服碳納米管后表面的穿透勢(shì)壘, 所以最終PKA停留在碳納米管后表面. 碳納米管前表面由于少了一個(gè)原子最終演化成為5-1DB缺陷構(gòu)型[32].

2.3PKA勢(shì)能隨模擬時(shí)間的變化關(guān)系及穿透能隨入射能線性變化的機(jī)理

3結(jié)論

本文基于分子動(dòng)力學(xué)方法, 研究了載能碳離子碰撞鋸齒形單壁碳納米管過程中PKA的運(yùn)動(dòng)行為. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 載能碳離子碰撞(n,0)鋸齒形單壁碳納米管過程中, 當(dāng)手性指數(shù)為(2n, 0)(n∈整數(shù), 且n≥3)時(shí), 碰撞后碳納米管中PKA雖然能夠離開原來(lái)的位置, 但難以穿透碳納米管后壁, 即使采用初始能量比較高的載能碳離子轟擊碳納米管, PKA仍然難以穿透碳納米管體系; 當(dāng)手性指數(shù)為(2n+1, 0)(n∈整數(shù), 且n≥2)時(shí), 碰撞后碳納米管中PKA不僅能夠離開原來(lái)的位置, 而且能夠相對(duì)容易地穿透碳納米管后表面六元環(huán)而脫離體系. 研究了入射能為40.0～100.0 eV載能碳離子碰撞(2n+1, 0)(n=2～9)單壁碳納米管過程中PKA的穿透能與載能碳離子入射能之間的關(guān)系. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), PKA穿透能隨著入射能的增加而呈線性增長(zhǎng)關(guān)系, 線性變化的斜率與碳納米管的直徑有關(guān), 直徑越大, 斜率越小. 通過對(duì)線性關(guān)系進(jìn)行分析, 得到了消除熱振動(dòng)效應(yīng)時(shí)的靜態(tài)穿透能, 該能量隨著碳納米管直徑的增加而增大, 最終趨于飽和值28.5 eV. 通過分析碰撞過程中PKA勢(shì)能隨模擬時(shí)間的變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)PKA的勢(shì)能隨入射能的增加而增大, 從而解釋了PKA的穿透能隨著入射能的增加而增大的物理機(jī)制.

參考文獻(xiàn)

[1]Iijima S.,Nature, 1991, 354, 56—58

[2]Perebeinos V., Tersoff J.,Phys.Rev.Lett., 2015, 114, 085501

[3]Niu L. L., Huang D., Du J. J., Wei Y., Hu C. F., Ye J. Y., Chen W. Y.,Chem.J.ChineseUniversities, 2015, 36(10), 1873—1879(牛璐璐, 黃棣, 杜晶晶, 魏延, 胡超凡, 葉家業(yè), 陳維毅. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(10), 1873—1879)

[4]Yang M. X., Ma J., Sun Y. R., Xiong X. Z., Li C. L., Li Q., Chen J. H.,Chem.J.ChineseUniversities, 2015, 35(3), 570—575(楊明軒, 馬 杰, 孫怡然, 熊新竹, 李晨璐, 李強(qiáng), 陳君紅. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(3), 570—575)

[5]Ma X. D., Roslyak O., Duque J. G., Pang X.Y., Doorn S. K., Piryatinski A., Dunlap D. H., Htoon H.,Phys.Rev.Lett., 2015, 115, 017401

[6]Ozden S., Autreto P. A. S., Tiwary C. S., Khatiwada S., Machado L., Galvao D. S., Vajtai R. V., Barrera E. V., Ajayan P. M.,NanoLett., 2014, 14(7), 4131—4137

[7]Aitkaliyeva A., Shao L.,Carbon, 2012, 50, 4680—4684

[8]Arenal R., Lopez-Bezanilla A.,ACSNano, 2014, 8(8), 8419—8425

[9]Aitkaliyeva A., Martin M. S., Harriman T. A., Hildebrand D. S., Lucca D. A., Wang J., Chen D., Shao L.,Phys.Rev.B, 2014, 89, 235437

[10]Krasheninnikov A.V., Nordlund K.,J.Appl.Phys., 2010, 107, 071301

[11]Titova L. V., Pint C. L., Zhang Q., Hauge R. H., Kono J., Hegmann F. A.,NanoLett., 2015, 15(5), 3267—3272

[12]Merrill A., Cress C. D., Rossi J. E., Cox N. D., Landi B. J.,Phys.Rev.B, 2015, 92, 075404

[13]Xu Z. J., Zhang W., Zhu Z. Y., Huai P.,Nanotechnology, 2009, 20, 125706

[14]Rossi J. E., Cress C. D., Merrill A., Soule K. J., Cox N. D., Landi B. J.,Carbon, 2015, 81, 488—496

[15]Yang J. Q., Li X. J., Ma G. L., Liu C. M., Zou M. N.,ActaPhys.Sin., 2015, 64, 136401(楊劍群, 李興冀, 馬國(guó)亮, 劉超銘, 鄒夢(mèng)楠. 物理學(xué)報(bào), 2015, 64, 136401)

[16]Terrones M., Terrones H., Banhart F., Charlier J. C., Ajayan P. M.,Science, 2000, 288, 1226—1229

[17]Gupta S., Patel R. J., Smith N., Giedd R. E., Hui D.,DiamondRelat.Mater., 2007, 16, 236—242

[18]Tolvanen A., Buchs G., Ruffieux P., Gr?ning P., Gr?ning O., Krasheninnikov A. V.,Phys.Rev.B, 2009, 79, 125430

[19]Zhao S. J., Xue J. M., Wang Y. G., Yan S.,Appl.Phys.A, 2012, 108, 313—320

[20]Zhang C., Mao F., Dai J. X., Zhang F. S.,Comput.Mater.Sci., 2014, 93, 15—21

[21]Zhang C., Mao F., Zhang F. S., Zhang Y.,Chem.Phys.Lett., 2012, 541, 92—95

[22]Zhang C., Mao F., Zhang F. S.,Eur.Phys.J.Appl.Phys., 2013, 64, 10401

[23]Takai T., Lee C., Halicioglu T., Tiller W. A.,J.Phys.Chem., 1990, 94, 4480

[24]Tersoff J.,Phys.Rev.Lett., 1998, 61, 2879

[25]Brenner D. W.,Phys.Rev.B, 1990, 42, 9458

[26]Wang Z. X., Ke X. Z., Zhu Z. Y., Zhang F. S., Ruan M. L., Yang J. Q.,Phys.Rev.B, 2000, 61, R2472

[27]Mao F., Zhang C., Zhang Y., Zhang F. S.,Chin.Phys.Lett., 2012, 29(7), 076101

[28]Jones J. E.,Proc.R.Soc.Lond.A, 1924, 106(738), 463—477

[29]Swope W. C., Andersen H. C., Berens P. H. , Wilson K. R.,J.Chem.Phys., 1982, 76, 637—649

[30]Humphrey W., Dalke A., Schulten K.,J.Mol.Graphics, 1996, 14, 33—38

[31]Elstner M., Porezag D., Jungnickel G., Elsner J., Haugk M., Frauenheim T., Suhai S., Seifert G.,Phys.Rev.B, 1998, 58, 7260—7268

[32]Lu A. J., Pan B. C.,Phys.Rev.Lett., 2004, 92, 105504

(Ed.: Y, Z, S)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.11505003, 21201006), the Natural Science Foundation of Anhui Province, China(No.1608085QA20) and the Introduced Doctor’s Startup Fund from the Anhui University of Science and Technology, China(No.ZX944).

Study on the Penetrating Energy of Zigzag Single-walled Carbon Nanotubes?

ZHANG Chao, PAN Chengling*, SHENG Shaoding

(LaboratoryofMultiscaleMaterialsandMolecularCatalysis,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

KeywordsCarbon nanotube; Molecular dynamics; Energy transfer; Penetrating energy; Collision

AbstractThe movement process and energy change of the primary knock-on atom were investigated after an energetic carbon ion colliding with single-walled carbon nanotubesviaa molecular dynamics method. The relationship between the penetrating energy of the primary knock-on atom and the incident energy of the projectile carbon ion was analyzed for (2n+1,0)(n=2—9) zigzag single-walled carbon nanotubes. It was found that the penetrating energy increases linearly with the incident energy in the energy range under discussion. The linear slop was related to the nanotube diameter. The physical mechanism of linear increase was explained in detail by analyzing the time evolution of the potential energy of primary knock-on atom.

收稿日期:2016-02-17. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-05-26.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 11505003, 21201006)、 安徽省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 1608085QA20)和安徽理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金(批準(zhǔn)號(hào): ZX944)資助.

中圖分類號(hào)O644.2; O613.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介: 潘成嶺, 男, 博士, 教授, 主要從事多尺度材料的性能研究. E-mail: chengling_pan@126.com