[发明专利]一种基于同质结摩尔纹尺寸预测界面摩擦系数的方法

说明书

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。

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；