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驗室, 安徽理工大學材料科學與工程學院, 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驗室, 安徽理工大學材料科學與工程學院, 淮南 232001)

摘要基于分子動力學方法, 研究了載能碳離子碰撞鋸齒形單壁碳納米管過程中初級碰撞原子(PKA)的運動過程和能量變化過程. 分析了手性指數為(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系. 結果表明, 穿透能與入射能之間呈線性增長關系, 線性變化的斜率與碳納米管直徑有關. 通過分析PKA勢能隨模擬時間的變化規律, 闡述了初級碰撞原子的穿透能隨入射能的增加而增加的物理機制.

關鍵詞碳納米管; 分子動力學; 能量轉移; 穿透能; 碰撞

碳納米管(CNT)[1]因獨特的一維納米結構, 在物理及化學等方面表現出了許多優異性能, 從而得到了廣泛的研究[2～5]. 由于碳納米管的性質強烈依賴于其結構, 所以對其結構進行調控和修飾是研究碳納米管的一個重要方向[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構特性[8～10], 現已有許多研究通過粒子束輻照來改變碳納米管的結構與性能[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定的連接構型, 這些結構的產生主要是因為高溫下電子束輻照產生的結構缺陷可以促進碳納米管之間的連接; 他們進一步利用分子動力學模擬證實了空位和間隙原子能夠誘導2個碳納米管的連接. Gupta等[17]利用荷能粒子束對碳納米管進行輻照后發現, 輻照時間延長可以明顯增強單壁碳納米管的導電性, 但對于多壁碳納米管導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構的變化, 該結果對于以碳納米管為基礎的光電子器件具有潛在的應用價值. Zhao等[19]分別利用經驗勢分子動力學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缺陷的形成機制, 結果表明, 碰撞后入射離子與碳納米管之間形成的化學鍵能夠降低輻照閾值, 從而增強碳納米管的輻照損傷. 這些結果對碳納米管的材料改性, 以及對以碳納米管為基礎的電子器件的應用等方面具有重要的理論意義和應用價值. 本課題組[20～22]曾根據碳納米管的結構特點, 在納米管的表面分別選取不同的碰撞點, 采用分子動力學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. 通過對碰撞過程中原子結構的演化行為進行觀察, 分析了典型缺陷的形成過程. 該研究對于了解碳納米管中缺陷的形成機制, 操控碳納米管中的缺陷使其向有利于工程應用方面的發展將有重要作用.

本文基于分子動力學方法(MD)研究了載能碳離子碰撞手性指數為(2n+1,0)(n=2～9)的單壁碳納米管(CNT), 考察了初級碰撞原子(PKA)穿透碳納米管后表面的運動規律、 穿透能與入射能間的關系, 穿透能與碳納米管曲率半徑間的關系, 并分析了該過程的物理機制.

1計算模型與方法

1.1初始結構

以手性指數為(2n+1,0)(n=2～9), 直徑為0.39～1.49 nm, 原子數為120～456,z軸方向長度約為2.60 nm的鋸齒形單壁碳納米管為研究對象, 具體參數列于表1. 此外, 為了闡釋當單壁碳納米管手性指數為(2n,0)(n∈整數, 且n≥3)時, 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)單壁碳納米管的動力學過程.

采用共軛梯度法對碳納米管模型進行結構優化, 并在優化后的碳納米管中間部分選擇初級碰撞原子. 入射碳原子初始位置設置在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生相互作用.

1.2原子間勢函數

(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. 這些參數均通過對碳團簇、 石墨及金剛石的鍵長、 鍵能、 彈性常數、 晶格結合能和晶格常數擬合得到, 具體參數見表2.

(4)

式中:ε為勢阱深度, 表示2個原子間相互作用的強弱;σ表示兩原子間作用勢為0時原子間的距離. 對于碳原子體系,ε和σ分別取為2.86×10-3eV和0.24 nm.

1.3模擬細節

由于入射能量較低, 在碰撞過程中核阻止過程將占據主導地位, 所以電子阻止對碰撞過程的影響可忽略不計[10,13]. 為了與實驗檢測結果進行對比, 本文所指的入射碳原子統稱為入射碳離子, 因為低電荷態對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構的演化過程, 原子間成鍵距離設定為0.18 nm. 同時采用電荷自洽的密度泛函緊束縛方法[31]計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結果與討論

2.1載能碳離子碰撞(8,0)單壁碳納米管的動力學過程

圖1給出了初始能量為1 keV載能碳離子轟擊(8,0)單壁碳納米管的動力學過程. 從圖1可見, 隨著演化進行, 入射離子逐漸靠近碳納米管并碰撞PKA, 當模擬時間t=11 fs時, PKA受到入射離子的碰撞而離開原來位置. 隨后, PKA逐漸靠近后壁, 并與后壁的次級碰撞原子(SKA)發生對心碰撞. 當t=15 fs時, SKA受到PKA的碰撞而離開了原來位置. 由t=10000 fs的最后演化構型圖可以看出, 碳納米管前壁由于少了一個原子, 最終演化成為5-1DB缺陷構型[32]; 碳納米管后壁SKA位置被PKA所占據, 從而后壁變為完美的結構. 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)單壁碳納米管的動力學過程

通過對(9,0)單壁碳納米管的計算模擬發現, 當載能碳離子入射能20.0 eV≤Ein<40.0 eV時, 碰撞后PKA能夠快速離開原來位置, 運行至碳納米管后表面, 并與后表面原子發生非對心碰撞, 擠壓后表面原子使其成為間隙原子, 而自身逐漸占據晶格格點位置, 這表明PKA從碰撞過程中獲得的能量能夠克服移位勢壘而離開原來位置, 但不足以克服碳納米管后表面的穿透勢壘, 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原子最終演化成為5-1DB缺陷構型[32].

2.3PKA勢能隨模擬時間的變化關系及穿透能隨入射能線性變化的機理

3結論

本文基于分子動力學方法, 研究了載能碳離子碰撞鋸齒形單壁碳納米管過程中PKA的運動行為. 結果發現, 載能碳離子碰撞(n,0)鋸齒形單壁碳納米管過程中, 當手性指數為(2n, 0)(n∈整數, 且n≥3)時, 碰撞后碳納米管中PKA雖然能夠離開原來的位置, 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; 當手性指數為(2n+1, 0)(n∈整數, 且n≥2)時, 碰撞后碳納米管中PKA不僅能夠離開原來的位置, 而且能夠相對容易地穿透碳納米管后表面六元環而脫離體系. 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系. 結果發現, PKA穿透能隨著入射能的增加而呈線性增長關系, 線性變化的斜率與碳納米管的直徑有關, 直徑越大, 斜率越小. 通過對線性關系進行分析, 得到了消除熱振動效應時的靜態穿透能, 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勢能隨模擬時間的變化規律, 發現PKA的勢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制.

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(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. 網絡出版日期: 2016-05-26.

基金項目：國家自然科學基金(批準號: 11505003, 21201006)、 安徽省自然科學基金(批準號: 1608085QA20)和安徽理工大學科研啟動基金(批準號: ZX944)資助.

中圖分類號O644.2; O613.7

文獻標志碼A

聯系人簡介: 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