[发明专利]一种测定单层二硫化钼弹性模量和泊松比的分子力学方法

说明书

本发明属于计算二维纳米材料技术领域，提供了一种测定单层二硫化钼弹性模量和泊松比的分子力学方法。通过分子力学方法测定了单层二硫化钼的相关力学性质，并给出了该材料的尺寸效应。本发明首先建立了单层二硫化钼的分子力学理论模型，无需建立投影辅助结构模型，直接获得了可以表征任意尺寸单层二硫化钼弹性模量和泊松比的解析表达式。本发明方法不仅可以有效测出单层二硫化钼的弹性模量和泊松比，避免了实验带来的高昂成本，而且结果表明单层二硫化钼随着特征尺寸的增加逐渐由各向异性材料过渡为各向同性材料。这为基于单层二硫化钼材料的应用提供了重要的理论参考。

技术领域

本发明属于计算二维纳米材料技术领域，涉及一种基于分子力学方法测定单层二硫化钼弹性模量和泊松比的方法。

背景技术

纳米科技是近几十年来迅速兴起的一项高新科学技术，顾名思义就是在纳米尺度上对材料进行研究与开发的一门科学技术。它的诞生不仅为人们更好地认识物质世界提供了新的技术支持，还为众多领域的发展开辟了新的途径。作为纳米科技的研究对象，纳米材料因其不同于宏观材料的优良特性，已经在力学、光学、电学、化学及生物医学等诸多方面展示出大量新颖奇特的性能。与传统的宏观材料相比，在纳米尺度下存在的如尺寸效应、表面界面效应等异于宏观材料的现象，使得纳米材料具有非同寻常的研究价值。

二硫化钼作为近几年热门二维纳米材料之一，其在催化、润滑以及半导体等应用领域具有广阔的前景。因此对其材料属性、力学性质的研究必不可少。

当前对于纳米材料力学性能的研究主要包括实验方法、理论方法和数值模拟。尽管相关实验设备不断推陈出新，但在纳米尺度下进行实验始终受限，一方面小尺度下的实验操作往往较为复杂，甚至难以实施。

对纳米材料而言，应用分子尺度的相关方法可以有效得到材料的力学属性。分子尺度计算方法包括分子力学方法以及分子动力学模拟等方法。其中，分子力学是建立在经典力学理论基础上，借助经验和半经验参数计算分子结构和能量的方法，可以有效得到材料本征性能。

本发明以单层二硫化钼为研究对象，基于分子力学方法测定其力学性质，并展示了单层二硫化钼随着特征尺寸的增大由各向异性向各向同性材料转变的尺寸效应，为其在实际生产与应用中提供重要的理论参考。

发明内容

单层二硫化钼分子是由三层原子构成类三明治的结构，上下两层为S原子，中间层为Mo原子；单层二硫化钼分子属于六方晶系结构，其分子结构类六边形的蜂窝状结构；根据单层二硫化钼分子的边界特征将其边界分为扶手椅型边界和锯齿形边界；分子力学计算选取单层二硫化钼分子结构中的周期性代表单元作为分子力学理论模型，该代表单元作为计算单胞，由9个原子构成，其中中间层为3个Mo原子，上下两层各为3个S原子；根据单胞自身的几何结构关系，划分为一种类型的化学键和三种类型的化学键键角，分别为钼硫键r_i、层内钼硫钼角φ_i、层内硫钼硫角θ_i和层间硫钼硫角ψ_i，其中i＝1,2分别代表不同位置上的角；其中，层内角是指所构成S-Mo-S角的两个硫原子在同一原子层面上，层间角指S-Mo-S角的两个硫原子不在同一原子层面上；根据结构的对称性，满足φ_i＝θ_i，并且单胞中，上下两个硫原子层与Mo原子层之间厚度相等，因此层间关系可由变量键长和键角r₁、ψ₁和r₂、ψ₂表示如下：

然后根据选取单胞中相邻Mo-Mo原子之间的距离l相等空间几何的关系，采用余弦定理应用键长键角变量进行推导表示：

基于式(1)，式(2)可以化简为如下形式：