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《碳纳米管的分子动力学模拟_李琰》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第1期微细加工技术l.12003年3月MICROFABRICATIONTECHNOLOGYMar.,2003文章编号:1003O8213(2003)01O0009O06碳纳米管的分子动力学模拟李琰,朱长纯,姚振华(西安交通大学电子与信息工程学院真空微电子所,西安710049)摘要:碳纳米管的纳米级尺寸在很大程度上限制了人们对它的了解、测试与观察,严重地影响了它的发展和应用。因此,必须有简单可行的方法来合理计算、测量碳纳米管的[1]各种特性,计算机模拟无疑是研究这种特殊材料的极佳方法。采用分子动力学模拟的方法,来模拟碳纳米管的物理特性。首先模拟了碳纳米管的
2、热稳定性,发现单壁开口碳纳米管的热稳定性将随着管径的增大而变差,同时开口碳纳米管在真空中保持稳定的极限温度在3000K左右;接着模拟了两根开口碳纳米管的碰撞过程以及成键情况,模拟结果表明在开口端的碳原子非常活跃,极易与其它活性原子成键并且形成新的分子结构,这预示了只要使用一些简单的切割和组合就可以用碳纳米管组成纳微机械;最后对碳纳米管轴承结构的研究显示出碳纳米管之间仅仅存在很小的范德华力,这种独特的特性预示着碳纳米管构成的纳微机械会有卓越的机械特性。关键词:碳纳米管;分子动力学;模拟中图分类号:TB383文献标识码:A1概述测试设备严重妨碍了人们对这些特
3、性的了解。伴随着计算机技术的发展,曾经复杂冗[2]碳纳米管自从1991年由Iijima发现长的计算机模拟方法变得越来越方便快捷,之后,其独特的光学、电学以及力学特性便开并且成为科学研究以及工程计算中不可缺少始吸引人们的注意力。在纳米线、纳米电子的手段。目前在分析材料方面发展比较迅速器件、纳米机械系统以及超高拉伸强度材料的模拟方法主要有紧束缚、蒙特卡罗以及分方面,碳纳米管都有潜在的优势。同时用碳子动力学方法。分子动力学方法在算法上相纳米管构成的场致发射阴极、晶体管以及电对简单,在精度上比较适中,因此在医学、生子开关,目前也都在实验室里试验成功,并不物学和材
4、料化学等众多方面得到更为广泛的断得到改进而付诸应用。应用。这里应用分子动力学方法研制的模拟碳纳米管的各种特性一直是人们关注的软件MDS(MolecularDynamicsSimulation),焦点,但是过于复杂的测试方法以及昂贵的可以用来研究碳纳米管的物理特性以及碳纳收稿日期:2002O11O05;修订日期:2002-12-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(60036016;50077017);国家博士点教育基金资助项目(98069828)作者简介:李琰(1977-),男,陕西省西安市人,硕士研究生,主要从事碳纳米管的分子动力学模拟;朱长纯(19
5、37-),男,辽宁省人,教授、博士生导师,主要从事纳微器件以及场致发光器件的研制及模拟。10微细加工技术2003年米管构成系统的相互作用。R上式中,V(r)表示两个原子之间的排A斥力势能,V(r)表示两原子之间价键电子2分子动力学算法简介引起的相互作用势能,r表示相邻两个原子之间的向量距离,b是键序,可以根据Hckel分子动力学模拟的主要运算可以分为下分子轨道理论导出。REBO势函数是由实验面几步:首先,系统中每个原子都被给予初速方法得到的共价键势函数,主要用来描述金度以及初始位置,并严格定义系统的势函数刚石、石墨以及碳氢化合物中价键的结构与E(r)和模
6、拟需要的时间步长$t;接着通过特性,尤其是可以用来计算碳原子之间价键(1)式求得系统中每个原子的加速度;然后带的形成以及断裂过程,这对于研究碳纳米管入(2)式求得(t+$t)时刻各个原子的速度的机械特性犹为有利。同时,经典的[4]vi;最后利用(3)式求得系统中各个原子在(tLennard-Jones(LJ)势函数用来计算分子之间的相互作用力,这个势函数表达式为:+$t)时刻的位置相对变化量。dEUR12R6fi=-=mi#ai(t)(1)LJ(r)=4E[(r)-(r)]dri$t$t式中的第一项表示短程排斥力,而第二ai(t)#$t=vi(t+)-v
7、i(t-)(2)22项表示长程吸引力,而E和R分别是能量参$t$ri=ri(t+$t)-ri(t)=vi(t+)#$t数和长度参数,可以在统计物理学常数表中2查出。分子动力学模拟中,为了简化计算,一(3)般把这两个参数标准化,认为都等于1。通可以看到,在采用经典牛顿定律的分子过引入LJ势函数,模拟系统可以准确描述在动力学模拟中,初始条件起了很重要的作用,共价键分子之间存在的范德华力。假定的初始条件一般要符合客观事实,同时基于上面两个势函数的分子动力学模拟系统势函数E(r)的选择将决定着整个模拟系统,可以对碳纳米管的物理和力学特性进系统的可信度和精度,势函
8、数一般由原子的行比较严格的模拟,下面提供了一些模拟的相互作用决定,是各个原子间距
