崔树稳 魏连甲

摘 要：石墨烯是一种新型的碳纳米二维材料，具有广泛的应用。本文采用分子动力学模拟，研究了双层石墨烯不同层间距（）对其内氩团簇构型的影响。发现在受限二维空间内，层间距离的大小对氩团簇的构型有很大的的影响：当=7和8时，形成单层的结构， 当= 9～11时，形成双层的结构，当=13时，形成三层的结构， 当=15时，出现了四层结构。本研究可为石墨烯的应用及新型碳基插层复合材料的制备提供一定的理论支撑。

关键词：石墨烯;填充;团簇;分子模拟

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0244-01

0 引言

石墨烯是一种新型的碳纳米二维材料，具有大的比表面积、优越的电子性能和机械性能等特点， 可用于超级电容器、光催化、纳米薄膜等，具有广泛的应用。双层石墨烯具有纳米尺度的层间距，且层间距具有可调节性等优点，对填充其内的物质的平衡结构（构型）有很大的影响。Algara-Siller等和Nair等发现了在石墨烯狭缝孔中，水可以形成“方形冰”结构。由于现有实验方法很难直接观测到如此小的受限空间内分子行为，分子模拟成为研究受限性质的有效方法。赵梦尧等人采用分子模拟方法研究了原态石墨烯/羟基改性石墨烯狭缝孔道中水分子的微观行为。最近南怡伶等人采用非平衡分子动力学模拟方法，研究了不同间距纳米狭缝之间水的流动行为。受到上面研究结果的启发，我们希望进一步研究双层石墨烯不同层间距（）对其内团簇构型的影响，本文采用分子动力学模拟，研究了氩团簇在层间距（）为5～15的双层石墨烯层间的构型。通过本文的研究，可以进一步帮助人们认识限域环境对团簇构型的影响，为石墨烯的应用及新型碳基插层复合材料制备提供一定的理论支撑。

1 模拟方法

双层石墨烯模型采用20×15×1原胞，共1272个原子，竖轴方向上真空层的厚度设置为20，以避免体系相互影响。为了研究层间距的影响，选取石墨烯间距从5～15的不同模型。不同间距模型对应的氩团簇原子数目从8～193。分子动力学模拟采用Material Studio中的Forcite模块。模拟过程中，双层石墨烯的碳原子位置固定。首先对初始结构进行几何优化，降低初始模型的能量，对优化后的初始体系在温度为20K下，进行NVT分子动力学驰豫，模拟中采用Compass力场，初始速度从Boltzmann随机分布中选取，温度采用Berendsen提出的方法进行控制，运动方程采用Velocity-Verlet方法积分求解，时间步长为1fs。

2 结果与讨论

对于模拟体系，表1给出了平衡时，不同层间距下双层石墨烯间填充的氩原子个数和平衡构型的层数。

为了便于比较，给出了体系在=9、13和15平衡构型的侧面图，如图1所示。

从表1和图1可以看出，当层间距为5和6时，氩原子不能进入双层石墨烯中。随着层间距的增大，层间氩原子数目增加，氩原子需更长的时间才能达到平衡构型。层内氩团簇形成明显的层状结构，并且在石墨烯狭缝内氩原子以平行于石墨烯表面的形式存在，当=7和8时，形成单层的结构，当=9～11時，形成双层的结构，当=13时，形成三层的结构，接近石墨烯表面的两层原子最多，中间层氩原子数减少，当=15时，出现了四层结构，与=13时构型类似。并且从图中还可以看出，接近石墨烯表面的一层原子最多，原子从此层到接近中心处逐渐减少。这种现象可以归因于：石墨烯壁和氩原子强的相互作用，氩原子沿壁面定向排布，可以近似称之为“模板效应”。不同层间距，对氩团簇的结构存在一定的影响。

3 结语

本文采用分子动力学模拟，研究了双层石墨烯不同层间距（）对其内团簇构型的影响。发现只有当层间距大于6时，氩原子才能进入双层石墨烯中，双层石墨烯层内氩团簇形成明显的层状结构，当=7和8时，形成单层的结构，当=9～11时，形成双层的结构，当=13时，形成三层的结构，随着层间距的增大，构型的层数增多。并且在石墨烯层间氩原子以平行于石墨烯表面的形式存在。可以近似得出，当层间距足够大时，层间团簇构型将会与体相没有区别。本研究可为石墨烯的应用及新型碳基插层复合材料的制备提供一定的理论支撑。

参考文献

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