基于分子动力学的磷烯力学性能调控方法研究

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2004年石墨烯的成功制备引起了二维材料的研究热潮。二维材料就是尺度在单原子层级别的薄膜材料,由于纳米级别的尺寸而导致的量子限制效应产生了很多有趣的性质,获得了人们的广泛关注。石墨烯、二硫化钼以及黑磷都属于二维材料家族的一份子。和石墨烯和二硫化钼相比,黑磷则既有着直接带隙,又有着不俗的载流子迁移率,这种双重的优势使其成为了半导体器件和光电元件的理想材料,有着广阔的应用前景。然而,目前关于黑磷的研究也主要集中在电学、磁学、光学等性能,关于黑磷的力学性能的研究还比较少,存在一定的空白。而关于黑磷力学方面的认识则是其各种应用的基础,所以研究黑磷的力学调控方法有着理论指导和推动实践的意义。磷烯是单层的黑磷。由于本身尺寸较小,制备较为困难,已有的设备仪器进行实物的研究显得成本高昂。而现有的理论方面对于二维材料还比较空白。此时,采用计算机模拟的研究方式,既能够获得和实验相似的宏观结论,又能够减少进行实验的各个环节产生的成本问题。本文使用分子动力学仿真的研究方法探究双层磷烯力学性能的调控手段。主要的研究变量包括温度、层间的转角以及掺杂这三种。通过在不同研究变量下的建模来进行变量控制,采用单轴拉伸的仿真实验获得模型的应力应变曲线,然后通过分析曲线的特征进行力学性质的导出进行研究。本文主要关注的力学性能包括磷烯材料的临界应变和临界应力,磷烯的各向异性以及杨氏模量的变化。研究的结果表明:温度的上升会导致磷烯临界应变、临界应力和各向异性下降(之字形方向和扶手椅分别为36%和44%,22%和42%),但是却会导致杨氏模量有所上升;转角的影响较为复杂,能够使磷烯的调控区间增加,使得磷烯的调控更加的灵活,同时90度的转角会导致磷烯各向异性的下降;5%的铁元素掺杂会导致磷烯临界应变、临界应力(之字形方向和扶手椅分别为45%和58%,74%和72%)和各向异性下降,在一定的浓度门槛下,杨氏模量会有所下降,但是这个下降值没有随着浓度的进一步的升高而升高,而是维持在一个平稳的值。除此之外,掺杂还会令磷烯产生一种在到达临界应变之后临界应力不会陡降的性质。经过对比分析可以发现,全面性地提高磷烯材料的力学性能是不理想的,但是可以通过调控的方法在牺牲其中一部分的性能的同时提升另外一部分。本文的研究结果有助于磷烯应用的进一步的落地。
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